CN111446475B - 一种燃料电池膜电极窜气点检测装置、系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及到一种燃料电池膜电极窜气点检测装置、系统及检测方法。本发明的燃料电池膜电极窜气点检测装置，包括上端板和下端板，上端板和下端板之间设置有石墨单极板，待测膜电极置于上端板下表面和石墨单极板上表面之间，上端板的下表面设置有流道区域和歧管槽，流道区域和歧管槽的尺寸及形状与石墨单极板、待测膜电极的活性区域和歧管相对应，流道区域以及歧管槽由独立密封槽包围，相邻密封槽的间距≥6mm，密封槽内设置有密封胶条。本发明的燃料电池膜电极窜气点检测装置通过红外热成像仪观察测试区域内的温差，在不破坏漏气膜电极的情况下，能够准确快速查找膜电极发生窜气的位置。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及到一种燃料电池膜电极窜气点检测装置、系统及检测方法。
背景技术
燃料电池是一种不经过燃烧，直接由化学能转换成电能的高效发电装置，具有能源易获取和清洁环保的特点。质子交换膜燃料电池电堆主要由膜电极（MEA）、双极板（BPP）、密封件等部件组成，其中MEA是燃料和氧化剂发生电化学反应的重要场所，是燃料电池的核心部件，它是由阴阳极气体扩散层、催化层、密封垫片（边框）和质子交换膜（PEM）组成，催化层和PEM构成CCM（Catalyst Coated Membrane），严密分隔阴阳极的氧化剂和燃料。
若燃料电池MEA阳极和阴极两极间的气密性降低，将造成氢气渗透电流和电子内部短路电流，二者均会影响燃料电池性能和效率，且当燃料和氧化剂混合的反应速度无法控制时，短时间内会释放大量热量，引发燃烧或爆炸，发生危险。MEA气密性失效主要由边框封装失效和CCM破损导致，因此，确定MEA的内部气密性是电池安全工作的保证，而窜气点位置检测是MEA基础数据采集、封装工艺改进，保证气密性的最直接和最有效的方法。目前，MEA的气密性可以通过保压法、线性电位扫描法、气相色谱法来检测，这些方法只能测试MEA的氢气渗透水平，也就是窜气量和窜气速率，并不能检测出严重渗氢的具体位置。
专利CN 108075156 A中提到了MEA漏气位置检测装置及方法，但该装置未模仿燃料电池流场部分的相似结构，装配后将影响MEA在真实结构环境下的气密性结果，该专利中所设计的所有密封胶线槽并未实现独立密封，活性区域的密封胶条与氢气进出口、冷却液进出口、空气进出口的密封胶条均有共用连接部分，若共用密封胶条部分的密封失效，窜气将出现在冷却液、氢气或空气进出口与活性区域相连的区域，从而出现，MEA活性区域边缘位置为窜气点的误判结果。使用该专利中的装置及方法无法检测到非活性区域外的窜气点，因此无法判断出活性区域外的密封垫片粘合密封失效引起的MEA窜气（五层MEA由阴极密封垫片和阳极密封垫片上下夹住涂覆催化层的质子交换膜粘合而成，密封垫片粘合后也叫MEA的边框）。另外，该专利检测过程中采用加入完全浸没量的溶液观察气泡的方法，再加上网格凸起的设计结构，容易引起质子交换膜的严重溶胀，该测试方法在膜两侧分别通入气体和液体，两侧压差加上溶胀的影响，膜会出现鼓胀并在网格状脊和凹槽间挤压的现象，此时观察窜气产生气泡的具体位置将受影响。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术中存在的不足，提供了一种燃料电池膜电极窜气点检测装置、系统及检测方法。本发明的燃料电池膜电极窜气点检测装置通过红外热成像仪观察测试区域内的温差，在不破坏漏气膜电极的情况下，能够准确快速查找膜电极发生窜气的位置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种燃料电池膜电极窜气点检测装置，包括上端板和下端板，上端板和下端板之间设置有石墨单极板，待测膜电极置于上端板下表面和石墨单极板上表面之间，上端板的下表面设置有流道区域和歧管槽，流道区域和歧管槽的尺寸及形状与石墨单极板、待测膜电极的活性区域和歧管相对应，流道区域以及歧管槽由独立密封槽包围，相邻密封槽的间距≥6mm，密封槽内设置有密封胶条。
所述石墨单极板的上表面设置有活性区域和歧管，活性区域以及歧管由独立密封槽包围，相邻密封槽的间距≥6mm，密封槽内设置有密封胶条，下表面歧管外围设有密封槽，密封槽内设置有密封胶条，密封进气孔。
所述石墨单极板上表面和上端板下表面的密封胶条在待测膜电极上下两侧对应贴合。
所述上端板能够透过红外线和可见光，上表面为光面，所述流道区域包括流道脊和流道槽。
所述流道区域分布的流道脊与石墨单极板的脊尺寸、形状相对应。
所述流道区域的槽深度和歧管槽的深度均小于上端板总厚度的二分之一，相邻密封槽的间距≥6mm。
所述下端板为带有嵌入槽、侧面进气孔和排气孔的金属端板，嵌入槽用于定位石墨单极板，嵌入槽的深度小于等于石墨单极板的厚度。
所述上端板和下端板四周设置有定位孔。
一种燃料电池膜电极窜气点检测系统，包括所述检测装置和红外热成像仪，所述检测装置下端板的进气孔与气源连接，下端板与气源之间设置有加热器，上端板通过固定支架与红外热成像仪固定连接。
一种燃料电池膜电极窜气点检测方法，包括以下步骤：
S1、将下端板、石墨单极板、待测膜电极和上端板依次对准叠合，用紧固螺杆将以上部件夹紧固定；
S2、将干气通过加热器或水浴加热至60-90℃，将热气源持续通入下端板进气孔，并从排气孔排出，进气压力为0.1-0.5bar；
S3、通入检测气的同时，利用红外成像仪观察上端板整个面的温度成像，5min内观察并记录测试中温度异常的局部点位，温度异常的点位中温度较高的即为窜气点；
S4、待整个装置温度恢复至常温后，重复步骤S1-S3，再次确认发生漏气的位置。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明检测装置上端板的下表面设置有流道区域和歧管槽，流道区域和歧管槽的尺寸及形状与石墨单极板、待测膜电极的活性区域和歧管相对应，组装后更利于待测膜电极的支撑，避免了待测膜电极上下流道脊错位挤压，遭受二次破坏。
2.本发明检测装置上端板的流道区域分布的流道脊与石墨单极板的脊尺寸、形状相对应，可模拟待测膜电极在电堆中的压紧后的真实效果。
3.本发明检测装置下端板的嵌入槽设计，且深度小于等于石墨单极板厚度，可用于定位石墨单极板，上端板的定位孔和下端板的定位孔设计，提升了组装效率，降低组装错位率，减少了待测膜电极两侧因密封胶条组装错位滑移而导致气密性失效的问题。
4.本发明检测装置上端板的流道区域以及歧管槽由独立密封槽包围，相邻的密封槽宽度≥6mm，密封槽内设置有密封胶条，足够的密封槽宽可实现独立的密封胶条和独立密封，独立密封胶条密封设计可排除因密封胶条失效导致的误判为待测膜电极存在窜气点的干扰。
5.本发明检测装置上端板能够透过红外线和可见光，通入检测气的同时，利用红外成像仪观察上端板整个面的温度成像，即可观察到待测膜电极的窜气点，无需加入去离子水等液体，避免了质子交换膜严重溶胀和因溶胀导致窜气的问题，更适用于质子交换膜MEA测试。
6.本发明通过红外热成像仪观察测试区域内的温差，可快速判断窜气点位置，且对MEA没有破坏。
7.本发明检测装置上端板的下表面设置有流道区域和歧管槽，该设计既可观察到待测膜电极活性区域内的窜气点，也可观察到待测膜电极歧管处（此处为边框即MEA密封垫片）的窜气点。
附图说明
图1是本发明燃料电池膜电极窜气点检测系统的结构示意图。
图2是本发明燃料电池膜电极窜气点检测装置上端板的结构示意图。
图3是本发明燃料电池膜电极窜气点检测装置下端板的结构示意图。
图4 是本发明燃料电池膜电极窜气点检测装置的结构爆炸图。
图中：1-上端板；2-下端板；3-石墨单极板；4-待测膜电极；5-密封槽；6-密封胶条；7-定位孔；1-1-流道区域；1-2-歧管槽；1-1-1-流道脊；1-1-2-流道槽；2-1-嵌入槽；2-2-进气孔；2-3-排气孔；3-1-活性区域；3-2-歧管。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步说明。
一种燃料电池膜电极窜气点检测装置，包括上端板1和下端板2，上端板1和下端板2之间设置有石墨单极板3，待测膜电极4置于上端板1下表面和石墨单极板3上表面之间，上端板1的下表面设置有流道区域1-1和歧管槽1-2，流道区域1-1和歧管槽1-2的尺寸及形状与石墨单极板3、待测膜电极4的活性区域和歧管相对应，流道区域1-1以及歧管槽1-2由独立密封槽5包围，相邻密封槽5的间距≥6mm，密封槽5内设置有密封胶条6。
石墨单极板3的上表面设置有活性区域3-1和歧管3-2，活性区域3-1以及歧管3-2由独立密封槽5包围，相邻密封槽5的间距≥6mm，密封槽5内设置有密封胶条6，下表面歧管外围设有密封槽5，密封槽5内设置有密封胶条6，密封进气孔。
石墨单极板3上表面和上端板1下表面的密封胶条6在待测膜电极4上下两侧对应贴合。
上端板1能够透过红外线和可见光，上表面为光面，所述流道区域1-1包括流道脊1-1-1和流道槽1-1-2。
流道区域1-1分布的流道脊1-1-1与石墨单极板3的脊尺寸、形状相对应。
流道区域1-1的槽深度和歧管槽1-2的深度均小于上端板1总厚度的二分之一，相邻密封槽5的间距≥6mm。
下端板2为带有嵌入槽2-1、侧面进气孔2-2和排气孔2-3的金属端板，嵌入槽2-1用于定位石墨单极板3，嵌入槽2-1的深度小于等于石墨单极板3的厚度。
所述上端板1和下端板2四周设置有定位孔7。
一种燃料电池膜电极窜气点检测系统，包括检测装置和红外热成像仪，所述检测装置下端板2的进气孔与气源连接，下端板2与气源之间设置有加热器，上端板1通过固定支架与红外热成像仪固定连接。
实施例1
一种燃料电池膜电极窜气点检测方法，包括以下步骤：
S1、将下端板、石墨单极板、待测膜电极和上端板依次对准叠合，用紧固螺杆将以上部件夹紧固定；
S2、将干气通过加热器加热至60℃，将热气源持续通入下端板进气孔，并从排气孔排出，进气压力为0.1bar；下端板进气孔进气压力可以依据MEA窜气量的大小适当增大进气压力，以防压差过大冲破质子交换膜，导致新的漏气，持续通气的原因是为保证两侧有足够的温度差，防止通入腔体后气体温度逐渐降低，泄漏至测试腔的气体温度过低导致显示不明显，此外通入干气避免了质子交换膜发生溶胀而干扰测试结果的问题。
S3、通入检测气的同时，利用红外成像仪观察上端板整个面的温度成像，5min内观察并记录测试中温度异常的局部点位，温度异常的点位中温度较高的即为窜气点；时间过长后热量将通过质子交换膜逐渐传递至整个测试腔体，热成像无明显较高温度点，此时已难以判断漏气点。
S4、待整个装置温度恢复至常温后，重复步骤S1-S3，再次确认发生漏气的位置。
实施例2
一种燃料电池膜电极窜气点检测方法，包括以下步骤：
S1、将下端板、石墨单极板、待测膜电极和上端板依次对准叠合，用紧固螺杆将以上部件夹紧固定；
S2、将干气通过水浴加热至90℃，将热气源持续通入下端板进气孔，并从排气孔排出，进气压力为0.5bar，下端板进气通道中进气压力可以依据MEA窜气量的大小适当减小进气压力，以防压差过大冲破质子交换膜，导致新的漏气，持续通气的原因是为保证两侧有足够的温度差，防止通入腔体后气体温度逐渐降低，泄漏至测试腔的气体温度过低导致显示不明显，此外通入干气避免了质子交换膜发生溶胀而干扰测试结果的问题。
S3、通入检测气的同时，利用红外成像仪观察上端板整个面的温度成像，5min内观察并记录测试中温度异常的局部点位，温度异常的点位中温度较高的即为窜气点；时间过长后热量将通过质子交换膜逐渐传递至整个测试腔体，热成像无明显较高温度点，此时已难以判断漏气点。
S4、待整个装置温度恢复至常温后，重复步骤S1-S3，再次确认发生漏气的位置。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种燃料电池膜电极窜气点检测系统，其特征在于，包括燃料电池膜电极窜气点检测装置和红外热成像仪；
所述燃料电池膜电极窜气点检测装置，包括上端板（1）和下端板（2），上端板（1）和下端板（2）之间设置有石墨单极板（3），待测膜电极（4）置于上端板（1）下表面和石墨单极板（3）上表面之间，上端板（1）的下表面设置有流道区域（1-1）和歧管槽（1-2），流道区域（1-1）和歧管槽（1-2）的尺寸及形状与石墨单极板（3）、待测膜电极（4）的活性区域和歧管相对应，流道区域（1-1）以及歧管槽（1-2）由独立密封槽（5）包围，相邻密封槽（5）的间距≥6mm，密封槽（5）内设置有密封胶条（6）；
所述上端板（1）能够透过红外线和可见光，上表面为光面，所述流道区域（1-1）包括流道脊（1-1-1）和流道槽（1-1-2）；
所述流道区域（1-1）分布的流道脊（1-1-1）与石墨单极板（3）的脊尺寸、形状相对应；
所述下端板（2）为带有侧面进气孔（2-2）和排气孔（2-3）的金属端板；
所述下端板（2）的进气孔（2-2）与气源连接，所述下端板（2）与气源之间设置有加热器，所述上端板（1）与红外热成像仪固定连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极窜气点检测系统，其特征在于，所述石墨单极板（3）的上表面设置有活性区域（3-1）和歧管（3-2），活性区域（3-1）以及歧管（3-2）由独立密封槽（5）包围，相邻密封槽（5）的间距≥6mm，密封槽（5）内设置有密封胶条（6），下表面歧管外围设有密封槽（5），密封槽（5）内设置有密封胶条（6），密封进气孔。
3.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极窜气点检测系统，其特征在于，所述石墨单极板（3）上表面和上端板（1）下表面的密封胶条（6）在待测膜电极（4）上下两侧对应贴合。
4.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极窜气点检测系统，其特征在于，所述流道区域（1-1）的槽深度和歧管槽（1-2）的深度均小于上端板（1）总厚度的二分之一，相邻密封槽（5）的间距≥6mm。
5.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极窜气点检测系统，其特征在于，所述下端板（2）还设置有嵌入槽（2-1），所述嵌入槽（2-1）用于定位石墨单极板（3），嵌入槽（2-1）的深度小于等于石墨单极板（3）的厚度。
6.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极窜气点检测系统，其特征在于，所述上端板（1）和下端板（2）四周设置有定位孔（7）。
7.利用权利要求1所述的燃料电池膜电极窜气点检测系统进行燃料电池膜电极窜气点检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将下端板（2）、石墨单极板（3）、待测膜电极（4）和上端板（1）依次对准叠合，用紧固螺杆将以上部件夹紧固定；
S2、将干气通过加热器或水浴加热至60-90℃，将热气源持续通入下端板进气孔（2-2），并从排气孔（2-3）排出，进气压力为0.1-0.5bar；
S3、通入检测气的同时，利用红外热成像仪观察上端板（1）整个面的温度成像，5min内观察并记录测试中温度异常的局部点位，温度异常的点位中温度较高的即为窜气点；
S4、待整个装置温度恢复至常温后，重复步骤S1-S3，再次确认发生漏气的位置。
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2020
- 2020-05-09 CN CN202010386289.0A patent/CN111446475B/zh active Active
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