CN101566594B

CN101566594B - 一种检验燃料电池堆中单片膜电极组缺陷的方法

Info

Publication number: CN101566594B
Application number: CN2008103012768A
Authority: CN
Inventors: 孙永欣; 肖钢
Original assignee: Hanergy Technology Co Ltd
Current assignee: Hanenergy Solar Photovoltaic Technology Co.,Ltd
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2028-04-24
Also published as: CN101566594A

Abstract

本发明公开了一种检验燃料电池堆中单片膜电极组缺陷的方法，将恒流源的两个电极与燃料电池堆正负极连接，并把电压寻检系统的单片采集夹具固定在燃料电池堆上，燃料电池堆温度控制在60-75℃，在燃料电池MEA两侧以0.1-10L/min的流速通入饱和加湿氢气，10-20分钟后调节恒流源的电流为1-10A，4-10分钟后采集每个膜电极组的电压数据，求电压平均值；通过单片膜电极组电压数据与电压平均值的比较，确定缺陷膜电极组。该方法具有简单易行、测试结果准确的优点，属于燃料电池内阻测试领域。

Description

一种检验燃料电池堆中单片膜电极组缺陷的方法

技术领域

本发明涉及一种检验电池堆缺陷的方法，具体涉及一种检验燃料电池堆中单片膜电极组缺陷的方法。

背景技术

燃料电池是藉由电池内发生燃料燃烧反应而将化学能转换为电能的装置，负极除作为燃料与电解质的共同界面，并催化燃料的氧化反应；而正极则为氧气与电解质的共同界面，并催化氧的还原反应。燃料电池因电解质不同分为磷酸型(PAFC，phosphate fuel cell)、熔融碳酸盐型(MCFC，melt carbonate fuel cell)、固态氧化物型(SOFC，solidoxide fuel cell)和质子交换膜型(PEMFC，proton exchange membrane fuel cell)。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)可在低温环境下工作，由于其使用固态电解质，因此能应用在需要可移动性能源的产业上，例如汽车产业与电子3C产业，是目前所有燃料电池种类中最受关注的一种。质子交换膜燃料电池的核心元件包括膜电极组(Membrane FlectrodeAssembly，MEA)、气体扩散层与导电双极板，而膜电极组是由触媒电极与质子传导膜组装而成。

目前质子交换膜燃料电池在应用上有许多方面亟待提高，例如电池寿命的提升以及价格的降低。质子交换膜燃料电池的燃料系统可区分为氢气燃料系统与甲醇燃料系统。一般来说，质子交换膜燃料电池(PEMFC)是以氢气为燃料，直接甲醇燃料电池(DMFC)是以甲醇为燃料。展望全球制造燃料电池大厂或者是汽车大厂，例如Ballard、Toyota、Ford与Honda等，质子交换膜燃料电池在元件技术发展上已成熟。但是燃料电池堆中有缺陷的单片膜电极对燃料电池堆的运行有很大影响，而对其检测也是一个很大的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单易行、测试结果准确的检验燃料电池堆中单片膜电极组缺陷的方法。

为实现发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种检验燃料电池堆中单片膜电极组缺陷的方法，所述方法包括下述步骤：

将恒流源的两个电极与燃料电池堆正负极连接，并把电压寻检系统的单片采集夹具固定在燃料电池堆上，燃料电池堆温度控制在60-75℃，在燃料电池MEA两侧以0.1-10L/min的流速通入氢气，10-20分钟后调节恒流源的电流为1-10A，4-10分钟后采集每个膜电极组的电压数据，求电压平均值；通过单片膜电极组电压数据与电压平均值的比较，确定缺陷膜电极组。例如设定单片膜电极组电压数据比平均值高10％以上的，认定为有缺陷单片MEA。

所述的氢气的流速优选为5-10L/min，所述氢气为饱和加湿的氢气。

本发明提供的检验燃料电池堆中单片膜电极组缺陷的方法采用氢泵的原理，即氢气在燃料电池膜电极组正极失去电子变成氢离子，氢离子在电场作用下迁移到外加电源的负极得到电子重新生成氢气。在燃料电池膜电极组两侧同时通入氢气，氢气就会从膜电极组的一侧转移到另一侧。而整个过程中的总电阻包括反应电阻，膜内阻和接触电阻。燃料电池总电阻是影响它对外输出的重要影响因素，对它的测量也是非常重要的。在测试堆中，如果单片膜电极组的内阻大，在燃料电池运行时就会表现为电压低。我们可以通过比较同一电流下，每片单片电压的差异，来检测出单片膜电极组内阻大的单片，从而避免反复拆堆，提高工作效率。本发明提供的方法仅仅利用常规的恒流源和电压寻检系统进行检测，操作方法简单，降低了检测费用。

附图说明

图1为实施例1采集的单片电压值同燃料电池堆运行时的电压值关系图；

图2为实施例2采集的单片电压值同燃料电池堆运行时的电压值关系图；

图3为实施例3采集的单片电压值同燃料电池堆运行时的电压值关系图；

图4为对比例采集有缺陷的单片和正常的单片VI曲线对比图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1-3使用的燃料电池堆为28片膜电极组串联堆叠的电池，每个膜电极组具有50cm²有效面积和采用Nafion211为基质的膜，每片膜电极组的设计电压为0.6V，电池堆阴极和阳极流场的设计完全对称的；

恒流源为(ST-2上海虹运检测仪器有限公司)；

单片电压寻检系统为(武汉力兴单电池电压采集系统，型号F128)。

实施例1

将恒流源的两个电极与燃料电池堆正负极连接，并把电压寻检系统的单片采集夹具固定在燃料电池堆上，燃料电池堆温度控制在60℃，在燃料电池MEA两侧以0.1L/min的流速通入饱和加湿的氢气，10分钟后调节恒流源的电流为1A，4分钟后采集28片膜电极组的电压值，分别以V₁、V₂、…V₂₈表示，结果见表1。

表1各膜电极组的电压值(单位mV)

V₁	V₂	V₃	V₄	V₅	V₆	V₇	V₈	V₉	V₁₀	V₁₁	V₁₂	V₁₃	V₁₄
														5	5.1	5.1	5.2	5.1	4.9	5.1	5.0	5.0	5.0	5.8	5.2	5.2	5.1
V₁₅	V₁₆	V₁₇	V₁₈	V₁₉	V₂₀	V₂₁	V₂₂	V₂₃	V₂₄	V₂₅	V₂₆	V₂₇	V₂₈
														5.0	4.9	5.2	5.2	4.9	4.8	6.0	5.2	5.1	5.0	5.0	5.1	5.2	5.0

电压平均值V＝(V₁+V₂+V₃+…+V₂₆+V₂₇+V₂₈)/28＝5.13mV，将每片膜电极组的电压与平均值比较。根据工作性质的需要，我们设定单片膜电极组的电压比平均值高10％以上时，该单片膜电极组为缺陷膜电极组。因此，经过计算比较知道第11片和第21片膜电极组为缺陷膜电极组。

验证实验：

为了进一步验证，我们又做了如下的试验：将恒流源从燃料电池堆上拆除，燃料电池堆采电端连接上电子负载，将露点温度为70℃氢气接入燃料电池堆的氢气入口，将露点温度为70℃氧气接入燃料电池堆的氧气入口，其中氢气压力为0.1Mpa，氧气压力为0.1MPa，燃料电池堆温度通过冷凝水控制为75℃，然后启动燃料电池堆，调节电子负载的恒流控制，在燃料利用率为80％，氧气利用率为70％下使燃料电池堆在30A下工作，采集电堆运行单片电压。

将采集的单片电压数据作图：以单片编号为X轴，以用单片电压采集的电压值同燃料电池堆运行时电压值为Y轴作图，见图1。

图1可知：第11片膜电极组测定的电压为5.8mV，第21片膜电极组测定的电压为6.0mV，比电压平均值5.13mV分别高0.67mv和0.87mv，分别比平均值5.13mV高出13％和16％。利用现有的测试手段进行的验证实验表明，燃料电池堆在30A运行时，其电堆运行单片电压值低于燃料电池堆整体单片电压平均值值0.7V，从而明显得出，第11片和第21片膜电极组内阻偏高，为有缺陷的膜电极组。

实施例2

将恒流源的两个电极与燃料电池堆正负极连接，并把电压寻检系统的单片采集夹具固定在燃料电池堆上，燃料电池堆温度控制在65℃，在燃料电池MEA两侧以10L/min的流速通入饱和加湿的氢气，20分钟后调节恒流源的电流为10A，10分钟后采集28片膜电极组的电压值，分别以V₁-V₂₈表示，结果见表2。

表2各膜电极组的电压值(单位mV)

V₁	V₂	V₃	V₄	V₅	V₆	V₇	V₈	V₉	V₁₀	V₁₁	V₁₂	V₁₃	V₁₄
														50	51	51	52	51	49	51	50	50	50	58	52	52	51
V₁₅	V₁₆	V₁₇	V₁₈	V₁₉	V₂₀	V₂₁	V₂₂	V₂₃	V₂₄	V₂₅	V₂₆	V₂₇	V₂₈
														50	49	52	52	49	48	60	52	51	50	50	51	52	50

求其平均值V＝(V₁+V₂+V₃+…+V₂₆+V₂₇+V₂₈)/28＝51.3mV，将每片膜电极组的电压与平均值比较，根据工作性质的需要，我们设定单片膜电极组的电压比平均值高10％以上时，该单片膜电极组为缺陷膜电极组。因此，经过计算比较知道第11片和第21片膜电极组为缺陷膜电极组。

其验证实验同实施例1。

将采集的电压数据作图：以单片编号为X轴，以用单片电压采集的电压值同燃料电池堆运行时电压值为Y轴作图，见图2。

图2可知：第11片膜电极组测定的电压为58mV，第21片膜电极组测定的电压为60mV，比电压平均值51.3mV分别高6.7mv和8.7mv，分别比平均值51.3mV高出13％和16％。利用现有的测试手段进行的验证实验表明，燃料电池堆在30A运行时，其单片电压值低于燃料电池堆整体单片电压平均值0.7V，从而明显得出，第11片和第21片膜电极组内阻偏高，为有缺陷的膜电极组。

实施例3

将恒流源的两个电极与燃料电池堆正负极连接，并把电压寻检系统的单片采集夹具固定在燃料电池堆上，燃料电池堆温度控制在75℃，在燃料电池MEA两侧以5L/min的流速通入饱和加湿的氢气，15分钟后调节恒流源的电流为5A，8分钟后采集28片膜电极组的电压值，分别以V₁-V₂₈表示，结果见表3。

表3各膜电极组的电压值(单位mV)

V₁	V₂	V₃	V₄	V₅	V₆	V₇	V₈	V₉	V₁₀	V₁₁	V₁₂	V₁₃	V₁₄
														25	25.5	25.6	26	25.5	24.8	25.6	25.1	25	25.1	29.1	26	26	25.5
V₁₅	V₁₆	V₁₇	V₁₈	V₁₉	V₂₀	V₂₁	V₂₂	V₂₃	V₂₄	V₂₅	V₂₆	V₂₇	V₂₈
														25.1	24.6	26	26.1	24.5	24	30	26	25.5	25	25	25.4	26	25

求其平均值V＝(V₁+V₂+V₃+…+V₂₆+V₂₇+V₂₈)/28＝25.7mV，将每片膜电极组的电压与平均值比较，根据工作性质的需要，我们设定单片膜电极组的电压比平均值高10％以上时，该单片膜电极组为缺陷膜电极组。因此，经过计算比较知道第11片和第21片膜电极组为缺陷膜电极组。

其验证实验同实施例1。

将采集的电压数据作图：以单片编号为X轴，以用单片电压采集的电压值同燃料电池堆运行时电压值为Y轴作图，见图3。

图3可知：第11片膜电极组测定的电压为29.1mV，第21片膜电极组测定的电压为30mV，比电压平均值25.7mV分别高3.4mv和4.3mv，分别比平均值25.7mV高出13.2％和16.7％。利用现有的测试手段进行的验证实验表明，燃料电池堆在30A运行时，其单片电压值低于燃料电池堆整体单片电压平均值0.7V，从而明显得出，第11片和第21片膜电极组内阻偏高，为有缺陷的膜电极组。

对比例

为了验证试验结果，本对比例采用有缺陷的单片和正常的单片同时装成单电池，在相同的条件下测试其VI曲线。通过VI曲线分析其内阻特性，来判断单片电池是否有缺陷。将第11片MEA和第1片MEA装成两个单片燃料电池堆，分别在同样的条件下测试其VI曲线，测试条件如下：氢气露点温度为70℃，氧气露点温度为70℃，氢气压力为0.1Mpa，氧气压力为0.1MPa，燃料电池堆温度通过冷凝水控制为75℃，H₂利用率为80％，氧气利用率为70％。将两个VI曲线做在同一张图中，见图4，从图中可以看出，这两片MEA在开路状态下，电压一致，当在电流＞5A时，发现第1片MEA的单片电压要大于第11片MEA，在欧姆极化区，第11片MEA的斜率要大于第1片MEA，可见第11片MEA的内阻要远大于第1片MEA，从而证明了第11片MEA是有缺陷的。

Claims

1.一种检验燃料电池堆中单片膜电极组缺陷的方法，包括下述步骤：

将恒流源的两个电极与燃料电池堆正负极连接，并把电压寻检系统的单片采集夹具固定在燃料电池堆上，燃料电池堆温度控制在60-75℃，在燃料电池MEA两侧以0.1-10L/min的流速通入氢气；其特征在于，10-20分钟后调节恒流源的电流为1-10A，4-10分钟后采集每个膜电极组的电压数据，求电压平均值；通过单片膜电极组电压数据与电压平均值的比较，单片膜电极组电压数据比电压平均值高10％以上的，认定为有缺陷单片膜电极组。

2.根据权利要求1所述检验燃料电池堆中单片膜电极组缺陷的方法，其特征在于所述的氢气的流速为5-10L/min。

3.根据权利要求1或2所述检验燃料电池堆中单片膜电极组缺陷的方法，其特征在于所述氢气为饱和加湿的氢气。