CN108075156B - 一种膜电极漏气位置检测装置和查找方法 - Google Patents

Abstract

膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，随着质子交换膜燃料电池电堆运行时间的延长或电池运行中操作条件的不当都会造成电池中膜电极的损伤甚至发生漏气。本发明涉及一种用于查找膜电极发生漏气位置的装置，本装置在不需要破坏扩散层的条件下，迅速直观的查找到漏气膜电极发生漏气的位置，该测试装置具有测量准确，抗干扰能力强，操作简单等优点。

Description

一种膜电极漏气位置检测装置和查找方法

技术领域

本发明应用于质子交换膜燃料电池电堆中查找膜电极发生漏气位置的装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将燃料与氧化剂中的化学能直接高效地转化为电能的发电装置。质子交换膜燃料电池由于具有能量转化效率高、环境友好、启动速度快，环境污染小等显著优点，已被认为是电动汽车、固定电站、各种移动电源的首选电源之一。

质子交换膜燃料电池的基本结构由膜电极，双极板，集流板以及端板组成，其中双极板具有气体分配，冷却介质分配，电连接作用；膜电极是电化学反应发生的场所。但随着质子交换膜燃料电池电堆运行时间的延长或电池运行中操作条件的不当都会造成电池中膜电极的损伤甚至发生漏气。当电池漏气量较大时，电池在运行过程中氢、氧气混合在催化剂的作用下可能会燃烧甚至发生爆炸。

专利CN200820133806中提到的膜电极检漏仪，在测试过程中，由于导流槽与膜电极的扩散层之间不能紧密接触并获得支撑固定，造成漏过的气体在扩散层与膜之间进行流窜，气体从扩散层表面多个薄弱处产生气泡，使得找到的漏气位置与真实漏气位置具有很大偏差；向导水装置通水排出空气时，由于流道中气体阻力较大，流道中个别角落的空气无法顺利排出，造成个别区域的观察盲区。

发明内容

本发明旨在用于质子交换膜燃料电池电堆中查找漏气膜电极发生漏气位置的特殊装置。为解决专利CN200820133806中提到的测量方法中出现的问题，本发明涉及一套特殊设计的透明可视化端板，上端板流道区域分布的大量的脊状突起结构能够对膜电极表面的扩散层起到支撑固定作用，使漏过的气体不会在扩散层和膜之间扩散流窜；上端板的凹槽流道区域均匀分布的排气孔可以使流道中各区域的气体顺利排出，为测试提供良好的观察视野。因此本装置在不需要破坏扩散层的条件下，能够直观准确的查找到漏气膜电极发生漏气的位置，以方便找到膜电极在制备和电池运行过程中的薄弱环节，为改善膜电极制备方法和电池运行条件提供依据。该装置特点如下：该检测装置包括下端板和透明上端板，于下端板和透明上端板之间设置有双极板，待检漏膜电极放置于透明上端板和双极板之间，膜电极包括质子交换膜和依次层叠在质子交换膜两侧的催化层与扩散层；于上端板下表面四周边缘处设置有环形密封胶线槽，其内放置有环形密封胶线，环形密封胶线与待检漏膜电极的质子交换膜四周边缘相贴接，待检漏膜电极的扩散层位于环形密封胶线槽所围绕的区域内，于上端板下表面环形密封胶线槽所围绕的区域处设有作为流道的网格状相互连通的凹槽；于上端板上表面设有与待检漏膜电极的扩散层相应形状和尺寸的第二凹槽，待检漏膜电极的扩散层置于上端板下表面与第二凹槽的相对应位置处；于凹槽和第二凹槽之间设有作为排气孔的贯穿端板的通孔；于双极板的上下表面四周边缘处均设置有环形密封胶线槽，其内放置有环形密封胶线，双极板上表面的环形密封胶线与待检漏膜电极的质子交换膜四周边缘相贴接，双极板上表面的环形密封胶线所围绕的区域内设有流场，待检漏膜电极的扩散层位于环形密封胶线所围绕的区域内；双极板下表面通过环形密封胶线与下端板密闭连接；于下端板上设置有进气通道，进气通道与双极板上表面的流场相连通；于上端板上设置有冷却剂的进口通道和出口通道，进口通道和出口通道分别与上端板下表面的流道相连通。

本装置在无需破坏漏气膜电极的扩散层情况下，能够准确快速查找膜电极发生漏气位置，具体操作方法如下：

(1)将下端板、双极板、待测漏气膜电极、上端板依次叠合并夹紧固定。

(2)使冷却剂液体从上端板进口通道通入，出口通道流出，流道中气体会通过上端板的排气孔排出，直至上端板流道中充满冷却剂液体。

(3)待整个流道中充满冷却剂液体后，向下端板进气通道中通入所需要压力的气体，观察上端板流道中，连续产生气泡位置处即为膜电极发生漏气部位。下端板进气通道中进气压力可以依据漏气膜电极漏气量的大小适当减小或增大进气压力，以能观察到连续气泡产生为准。进气压力为0.1～0.5bar，以防压力过大损伤膜电极，产生新的漏气位置，对测量产生干扰。

(4)观察并记录测试中连续产生气泡的各个位置。

(5)若需要再次确认发生漏气的位置，可以将冷却剂进气、出气通道进行更换，再重复上述操作。

本发明的优点：本装置的上端板流道区域增加的大量脊状突起结构，在膜电极扩散层与上端板之间起到支撑固定作用，使得膜电极在测试过程中不会被漏过的气体胀破，而且漏过的气体不会在扩散层与膜之间扩散流窜，造成对测量结果的干扰；而且上端板流道区域分布的排气孔，可以快速有效排出流道内的空气，使流道内液体均匀分布，扫除观察盲区，同时本装置还具有测量准确，抗干扰能力强，操作简单等优点。

附图说明：

图1是上端可视化端板图。

1.密封胶线槽 2.冷却剂出口通道 3.冷却进口通道 4.流道中的沟槽 5.流道中的脊 6.排气孔

图2是下端板图。

7.进气通道

图3是装置测试示意图。

8.下端板 9.双极板 10.漏气膜电极 11.上端端板 12.冷却剂进气通道 13.下端板进气通道

具体实施方式

为使熟悉该项技艺人士了解本发明的目的、特征及功效，由下述具体实施例并结合附图对本发明详加说明。

实施例：

本实施例中欲查找一片漏气量为15mL/min的膜电极发生漏气的位置，该膜电极的漏气量在0.5bar下测量所得，因此在查找该电极发生漏气位置时所通气体压力最大压力为0.5bar。

将下端板、双极板、待测漏气膜电极、上端板依次叠合并夹紧固定，在图1中冷却剂进口通道持续通入去离子水，从冷却剂出口通道导出去离子水，通入大约15～20s，上端板的流道中充满水，使流道中气体从排气孔中排出。待稳定后向下端板进气通道中持续通入0.2bar空气，观察到在图4中A点和B点处产生连续不断的气泡。进一步增加进气压力到0.45bar，观察流道中没有再新出现连续产生气泡的位置。

为进一步确认膜电极发生漏气的位置为图4中的A点和B点，将去离子水的进口通道和出口通道互换，重复上述操作，连续产生气泡处仍为图4中A、B两点。

Claims (8)

1.一种膜电极漏气位置检测装置，其特征在于：该检测装置包括下端板和透明上端板，于下端板和透明上端板之间设置有双极板，待检漏膜电极放置于透明上端板和双极板之间，膜电极包括质子交换膜和依次层叠在质子交换膜两侧的催化层与扩散层；

于上端板下表面四周边缘处设置有环形密封胶线槽，其内放置有环形密封胶线，环形密封胶线与待检漏膜电极的质子交换膜四周边缘相贴接，待检漏膜电极的扩散层位于环形密封胶线槽所围绕的区域内，于上端板下表面环形密封胶线槽所围绕的区域处设有作为流道的网格状相互连通的凹槽；于上端板上表面设有与待检漏膜电极的扩散层相应形状和尺寸的第二凹槽，待检漏膜电极的扩散层置于上端板下表面与第二凹槽的相对应位置处；于凹槽和第二凹槽之间设有作为排气孔的贯穿端板的通孔；

于双极板的上、下表面四周边缘处均设置有环形密封胶线槽，其内放置有环形密封胶线，双极板上表面的环形密封胶线与待检漏膜电极的质子交换膜四周边缘相贴接，双极板上表面的环形密封胶线所围绕的区域内设有流场，待检漏膜电极的扩散层位于环形密封胶线所围绕的区域内；

双极板下表面通过环形密封胶线与下端板密闭连接；于下端板上设置有进气通道，进气通道与双极板上表面的流场相连通；

于上端板上设置有冷却剂的进口通道和出口通道，进口通道和出口通道分别与上端板下表面的流道相连通；作为流道的网格状相互连通的凹槽与双极板上表面流场所在的位置相对应，且形状和尺寸相同；

网格状相互连通凹槽区域的相邻凹槽之间形成了脊状突起结构，脊以块状均匀分布于上端板板面中间，每块脊的面积为10~15mm²。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：上端板透明，上端板材质可以为有机玻璃板，钢化玻璃板或其他耐挤压透明板材。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：上端板的凹槽流道中设计有排气孔，排气孔孔径为3~5mm，排气孔要均匀分布于凹槽流道之中。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：上端板上表面第二凹槽的深度为上端板厚度的三分之一以上。

5.采用权利要求1~4任一所述装置进行质子交换膜燃料电池电堆中漏气膜电极发生漏气位置的查找方法，其特征在于：具体检测步骤如下：

将下端板、双极板、待测漏气膜电极、上端板依次叠合并夹紧固定，使冷却剂液体从上端板进口通道通入，出口通道流出，冷却剂液体持续流经流道，待整个流道中充满冷却剂液体后，向下端板进气通道中通入所需要压力的气体，上端板流道中连续产生气泡位置处即为膜电极发生漏气部位。

6.根据权利要求5所述的查找方法，其特征在于：需要向通道中持续通入冷却剂液体，该液体为任何无毒无害不会污染膜电极也不会与膜电极表面的催化剂发生化学反应的溶液。

7.根据权利要求5所述的查找方法，需要向下端板进气通道中持续通入所需压力的气体，其特征在于：所通的气体为任何一种无毒、无害、不会与膜电极表面的催化剂发生化学反应的气体。

8.根据权利要求5所述的查找方法，通入气体压力为所需压力，其特征在于：气体通入压力需要根据待测膜电极漏气量的大小进行调节，所通气体压力为0.1~0.5 bar。

Images