CN111103100B - 一种燃料电池膜电极检漏装置及检漏方法 - Google Patents

一种燃料电池膜电极检漏装置及检漏方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种膜电极检漏装置及检漏方法，所述装置包括阳极极板和阴极极板、加压装置和电压测试表。通过测量阴、阳极极板分别通有一定流量及压力下空气和氢气时膜电极的开路电压，通过监测膜电极在不同压缩条件下、不同气体流量和两侧不同压力差时膜电极的开路电压随时间变化，进而判断膜电极是否存在串漏现象。

Description

一种燃料电池膜电极检漏装置及检漏方法
技术领域
本发明涉及一种检测方法，具体而言，涉及一种燃料电池膜电极检漏装置和检测方法，属于燃料电池领域。
背景技术
燃料电池是一类通过电化学反应将燃料与氧化剂(多为空气或氧气)的化学能直接转化为电能的发电装置，具有能量效率高、环境污染小等诸多优点。膜电极是燃料电池的核心部件，主要由多孔电极与电解质膜组成，膜电极的性能是决定燃料电池放电性能及反应效率的关键。燃料电池的工作原理是电化学反应，即阴极氧化剂还原反应和阳极燃料的氧化反应需要分别在阴、阳两极上分布进行，因此要求膜电极必须有效隔离阴、阳极两侧的氧化剂和燃料，否则阴、阳极两侧的氧化剂如氧气和阳极燃料如氢气发生串漏混合，继而发生化学反应，不但会影响电池放电性能，还有可能会引起爆炸，引发安全事故。因此，膜电极的检漏对于燃料电池的正常稳定放电至关重要。
目前膜电极的检漏多采用基于压差法的真空检漏装置。如中国发明专利CN100504331C和CN104006925B采用一侧真空、一侧增压的压差法检测膜电极是否串漏；中国发明专利CN1789944A公开了一种膜电极真空检漏装置，主要包括气缸、真空表、检测板等，检漏时通过将膜电极固定在检测板内，并将膜电极外围非活性区域密封，通过将一侧气体抽取形成真空，另一侧与大气连通，将真空侧的进出口封闭，观察压力表上的压力变化以判断膜电极是否漏气。真空压差检漏法对测试装置的密封性要求较高，且检测时可能会由于真空度过大容易引起膜电极的二次损伤，造成膜电极的破损；中国发明专利CN20247135U提供了一种通过膜电极泄漏的氢气产生的反应热定位泄漏点位置的装置，该方法可定位泄漏点的位置，但需要辅助复杂的仪器设备。然而事实上，膜电极批量抽检过程中，准确确定泄露点位置的意义并不大，因为一旦确定膜电极发生泄露，无论泄露点处于什么位置，该膜电极都将成为不合格品，无法补救。中国发明专利CN101135599A提供了一种根据膜电极的导电性来判断膜电极是否发生穿孔泄漏的检测装置，通过对膜电极施加一恒定的小电流(<1.5mA)，如果电压持续增大，表明膜电极此时相当于电容器的充电过程，表明膜电极的阴、阳极之间隔离有效，此时膜电极没有渗漏，为合格品；如果膜电极的阴、阳极两侧电压保持不变，表明膜电极此时相当于一个电阻原件，表明阴、阳极发生了短接，膜电极有穿孔破损现象，为不合格品。这种电化学检漏方法的结果与泄漏点的尺寸密切相关，如果泄漏面积比较大，电解质膜发生破损缺块，膜电极两侧阴、阳极可能会发生短路，膜电极具有导电性，呈现电阻特征；但如果膜电极上泄漏点只是针孔甚至更小的微孔，两侧的气体电极就不会发生短接，膜电极就不具有的导电性，因此该方法容易发生漏检，检测结果可信度较低；此外，膜电极的串漏还与阴、阳极两侧的气体压力差及电池操作工况条件有关，加大两侧气体的压力差和膜电极压缩比可能会加大膜电极的串漏几率。
因此，有必要开发一种简单、快捷、可靠更能反映燃料电池膜电极在实际工况条件下的检漏方法，以克服现有技术的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单、快捷可靠的膜电极检漏方法及装置。该方法通过测量膜电极室温时在两侧通气及一定压缩比的条件下，利用电压表测量阴、阳极分别通有一定流量及压力下空气和氢气时膜电极的开路电压，通过监测膜电极在不同压缩条件下、不同气体流量和两侧不同压力差时膜电极的开路电压随时间变化规律，判断膜电极是否存在串漏现象。
本发明的技术方案如下：
本发明一方面提供一种基于开路电压法进行膜电极检漏的装置，所述装置包括阳极极板和阴极极板、加压装置和电压表；所述加压装置包括机架、螺旋杆、夹板、导柱A和导柱B；所述机架还包括顶板和底座；所述导柱A用于支撑顶板和底座；所述导柱B的一端设于所述底座上，另一端套设有所述夹板，使夹板沿所述导柱B在所述底座和顶板之间滑动；所述螺旋杆垂直穿过所述顶板与所述夹板接触；所述导电极板的一侧带有流场结构，另一侧附有气体进、出口，分别与对面的流场结构贯穿起来；所述阳极极板和阴极极板层叠放置于所述夹板和底座之间，使阴极极板的流场结构与阳极极板的流场结构相对；所述导电极板附有导电极耳，其中阴极极板的导电板极耳与电压表的正极相连，阳极极板的导电极耳与电压表的负极相连；通过旋转螺旋杆，使与螺旋杆接触的夹板沿导柱B上下滑动改变压力，通过气体压力的大小改变压缩量。
基于以上技术方案，优选的，所述带有流场结构的导电极板为石墨极板、不锈钢极板、钛极板或表面镀有防腐层的铜板、铁板。
基于以上技术方案，优选的，所述流场结构包括点状流场、蛇形流场、交织流场、平行流场。
基于以上技术方案，优选的，所述导柱A为4根，分别设置于顶板的四角；所述导柱B为4根，分别设置于夹板的四角。
本发明另一方面提供一种利用上述膜电极检漏装置的检漏方法，具体步骤为：将膜电极放置于带有流场结构的导电极板内，周边用硅胶密封，旋转螺旋杆，使位于夹板和底座的阴、阳极板压紧，保证膜电极具有一定的压缩量，分别将阴、阳极侧分布通入空气和氢气并改变气体流量和两侧的压力差，温度保持室温，利用电压表监测阴阳两侧的电压差，推动气缸，改变膜电极压缩量，记录一定时间内电极开路电压随气体流量、压力差、膜电极压缩量的变化。如果开路电压值随气体流量、压力差和膜电极压缩量在正常值附近来回波动，且波动在一定范围内，表明膜电极没有泄漏；如果电压值低于正常值或初始开路电压为正常值，但随气体流量、压力差和膜电极压缩量增大而逐渐减小且降幅超过一定范围，表明膜电极有泄漏，为不合格品。
基于以上技术方案，优选的，所述阴、阳极气体流量为1mL/min*cm2～5mL/min*cm2，其中氢气流速恒大于空气流速，是空气侧气体流速的2-5倍。
基于以上技术方案，优选的，所述阴、阳极两侧的压力差范围为0～2kPa，其中氢气侧绝对压力恒大于空气侧压力。
基于以上技术方案，优选的，所述膜电极的压缩量为原膜电极厚度的75-90％之间。
基于以上技术方案，优选的，所述开路电压的记录时间为10秒-5分钟，优选为1-3分钟。
基于以上技术方案，优选的，所述膜电极的开路电压正常值为930-1000mV，优选范围为950-1000mV。
基于以上技术方案，优选的，所述膜电极开路电压随时间和气体流量发生的波动范围为5-50mV，优选10-20mV。
有益效果：同其他膜电极检漏技术相比，本发明无需使用复杂的仪器设备，通过测量一定压缩比下膜电极通有空气和氢气的开路电压值的变化规律，即可判断膜电极是否发生串漏。由于膜电极的阴阳极两侧催化层含有大量的纳米Pt催化剂，而氢气和空气在Pt催化剂表面的吸附会引起电势差，如果膜电极表面有渗漏现象，分子尺寸较小的氢气就会穿过膜电极渗透至空气侧，并与空气一起产生混合电势，造成膜电极正、负极的开路电压的降低。氢气的渗漏与电极两侧的压力差和膜电极的压缩比工况有关，通过加大氢气与空气的压力差及对电极施加一定的压缩比，可能会加大膜电极发生串漏的几率。因此本发明通过增大氢气侧压力及流量以及改变膜电极压缩比，考察电池开路电压随时间的变化规律，从而判断膜电极存在是否发生串漏的可能性。该结果比其他方法更可靠，耗时少，成本低。
附图说明
图1为本发明所述装置对应的结构示意图；
图2为本发明所述极板一侧流场结构的示意图；
图中：1、阳极极板，2、阴极极板，3、螺旋杆，4、阴极进气口，5、阴极出气口，6、电压表，7、阳极进气口，8、阳极出气口，9、流场，10、密封圈，11、导电极耳，12、顶板，13、底座，14、上夹板，15、导柱B，16、导柱A。
具体的实施方式
实施例1
将压合好的膜电极置于带有蛇形流场9的石墨双极板(阳极极板1和阴极极板2)内，流场深度约为1mm，宽度也为1mm，双极板的厚度约为1cm，利用硅胶对膜电极非活性区域进行密封，然后分别向阴极进气口4和阳极进气口7通入1mL/min*cm2的空气和氢气，旋转螺旋杆3，控制压缩比，使得膜电极压缩厚度约为初始厚度的90％，将电压表的正极与通有空气的阴极极板的导电极耳相连，电压表的负极与通有氢气的阳极极板的导电极耳相连，利用电压表6读取开路电压为980mV，分别读取30s、1min和3min时的开路电压，分别为985mV，986mV，989mV,；分别加大膜电极压缩比至原始厚度的80％以及提高气体流量至2mL/min*cm2和5mL/min*cm2的空气和氢气，30s时的开路电压分别为978mV和975mV。上述结果表明该膜电极没有泄漏，为合格品。
实施例2
将压合好的膜电极置于带有蛇形流场的不锈钢极板(阳极极板1和阴极极板2)内，流场深度约为1mm，宽度也为1mm，双极板的厚度约为1cm，利用硅胶对膜电极非活性区域进行密封，然后分别向阴极进气口4和阳极进气口7通入1ml/min*cm2和的空气和氢气，旋转螺旋杆3，然后将电压表的正极与通有空气的阴极极板的导电极耳相连，电压表的负极与通有氢气的阳极极板的导电极耳相连，利用电压表读取开路电压为969mV，分别读取30s、1min和3min时的开路电压，分别为971mV，970mV，973mV,；分别加大膜电极压缩比至原始厚度的75％以及提高气体流量至分别加大至2ml/min*cm2和6mL/min*cm2的空气和氢气，30秒时的开路电压分别为978mV和975mV。上述结果表明该膜电极没有泄漏，为合格品。
对比例1
将压合好的膜电极置于真空检漏装置内，将阳极侧气体抽空，使其真空度降至0.01MPa以下，关闭抽气阀门，观察阳极侧连接的真空压力表的压力变化。30分钟内会发现阳极侧的真空压力表会随着时间延长逐渐增大，但由于膜电极周边密封垫乃至膜电极周边非活性区域的厚度不均匀，膜电极周边非活性区域的密封效果没有评价，无法判断该压力变化是由于膜电极的泄露或周边密封效果不佳引起的。
对比例2
将压合好的一张膜电极表面用针扎个小孔，孔控制在微米级别，然后将其置于带有蛇形流场的石墨双极板内，流场深度约为1毫米，宽度也为1毫米，双极板的厚度约为1cm，利用硅胶对膜电极非活性区域进行密封，然后分别向阴、阳极两侧通入1ml/min*cm2的空气和氢气，利用简易螺栓进行固定加紧，然后将电压表的正极与通有空气的阴极侧极耳相连，电压表的负极与通有氢气的阳极侧极耳相连，利用电压表读取开路电压为720mV，且随着时间延长和气体流量增大开路电压逐渐减小，表明膜电极有泄漏，为不合格品。

Claims (11)

1.一种膜电极检漏的方法，其特征在于，所述方法所用的装置包括阳极极板和阴极极板、加压装置和电压表；所述加压装置包括机架、螺旋杆、夹板、导柱A和导柱B；所述机架还包括顶板和底座；所述导柱A用于支撑顶板和底座；所述导柱B的一端设于所述底座上，另一端套设有所述夹板，使夹板沿所述导柱B在所述底座和顶板之间滑动；所述螺旋杆垂直穿过所述顶板与所述夹板接触；所述导电极板的一侧带有流场结构，另一侧附有气体进、出口，分别与对面的流场结构贯穿起来；所述阳极极板和阴极极板层叠放置于所述夹板和底座之间，使阴极极板的流场结构与阳极极板的流场结构相对；所述导电极板附有导电极耳，其中阴极极板的导电板极耳与电压表的正极相连，阳极极板的导电极耳与电压表的负极相连；通过旋转螺旋杆，使与螺旋杆接触的夹板沿导柱B上下滑动改变压力，通过气体压力的大小改变压缩量；
所述方法基于开路电压法进行膜电极检测，具体步骤为：
(1)将膜电极置于阴极极板和阳极极板之间，对膜电极非活性区域进行密封；旋转螺旋杆，使阴极极板和阳极极板压紧，保证膜电极具有一定的压缩量，所述膜电极的压缩量为原始膜电极的75-90％；
(2)分别向阴、阳极极板通入空气和氢气并改变气体流量和两侧的压力差，利用电压测量装置监测阴阳两侧的电压差，记录一定时间内电极开路电压随气体流量、压力差、膜电极压缩量的变化；
(3)判断开路电压的值，如果开路电压值随气体流量、压力差和膜电极压缩量在正常值附近来回波动，且波动在一定范围内，表明膜电极没有泄漏；如果开路电压值低于正常值或者，初始开路电压为正常值，但随气体流量、压力差和膜电极压缩量增大而逐渐减小且降幅超过一定范围，表明膜电极有泄漏，为不合格品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的阳极极板和阴极极板均为石墨极板、不锈钢极板、钛极板、表面镀有防腐层的铜板或铁板。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导柱A为4根，分别设置于顶板的四角；所述导柱B为4根，分别设置于夹板的四角。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阴、阳极气体流量为1mL/min*cm2～5mL/min*cm2，阳极侧气体流量大于阴极侧。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阴、阳极两侧的压力差为0～2kPa。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述开路电压的记录时间为10秒-5分钟。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述开路电压的记录时间为1-3分钟。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述膜电极的开路电压正常值为930-1000mV。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述膜电极的开路电压正常值为950-1000mV。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述膜电极开路电压随时间和气体流量发生的波动范围为5-50mV。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述膜电极开路电压随时间和气体流量发生的波动范围为10-20mV。
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