CN112213369B - 一种燃料电池膜电极的缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种燃料电池膜电极的缺陷检测方法，主要包括如下步骤：步骤S1，将待测膜电极安装于检测装置上，向待测膜电极的阳极通入氢气、阴极通入空气或氧气，使待测膜电极处于发电状态；此时，待测膜电极的电压为开路电压；步骤S2，保持通气状态第一设定时间，若所述待测膜电极的电压出现波动，则判定所述待测膜电极存在缺陷；若所述待测膜电极的电压未出现波动，则进行步骤S3；步骤S3，停止向所述待测膜电极的阴极通入空气或氧气、继续向待测膜电极的阳极通入氢气第二设定时间后，根据待测膜电极的电压判定待测膜电极是否合格。本发明用于提供一种能在燃料电池电堆组装前就能检测出膜电极是否存在缺陷的检测方法，以避免燃料电池堆重复拆装。

Description

一种燃料电池膜电极的缺陷检测方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池膜电极的缺陷检测方法。

背景技术

在当今全球能源紧张的时代，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术，也是目前唯一同时兼具无污染、高效率、适用广、无噪声和可连续工作的动力装置，被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。燃料电池的最大特点是反应过程不涉及燃烧，能量转换不受卡诺循环限制，因此能量转换率高达60-80％，实际使用效率是内燃机的2-3倍。目前，燃料电池已用于航天飞船、汽车、舰船、发电站、移动电话、笔记本电脑等众多领域。燃料电池技术的发展将犹如20世纪初内燃机技术取代人力的工业革命，20世纪60年代计算机取代人脑的信息革命，以及20世纪末改变了人们沟通方式与生活习惯的网络通信革命一样，在21世纪初期将引发新能源与环保的绿色革命。

燃料电池电堆是由若干片单电池组装成的电池堆；其中，每片单电池均涉及一片膜电极，每一片膜电极的好坏直接影响整个燃料电池电堆的使用(其中，膜电极MEA是燃料电池的质子交换膜、催化剂及电极的组合)。

现有技术中，在进行电堆组装时，膜电极的检测成为一个棘手问题，每片膜电极的检测由于精度的问题很难确保检测的准确性。在燃料电池电堆安装至测试平台，通气进行加载测试时，经常会发现某片单电池出现电压下降很快现象，这是因为该片单电池的膜电极存在缺陷而导致的。此时，需对燃料电池电堆中有缺陷的膜电极的进行更换，那么，首先得将整个燃料电池电堆进行拆解，更换单片膜电极，然后再重新装堆。但是，由于密封垫及膜电极边框等原因很容易导致膜电极错位，使得燃料电池电堆的整体性能出现下降，同时反复的拆装降低了工作效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种燃料电池膜电极的缺陷检测方法，主要目的在于能在燃料电池电堆组装前就可以检测出膜电极是否存在缺陷。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

本发明的实施例提供一种燃料电池膜电极的缺陷检测方法，包括如下步骤：

步骤S1：将待测膜电极安装于检测装置上，向所述待测膜电极的阳极通入氢气、阴极通入空气或氧气，使所述待测膜电极处于发电状态；此时，所述待测膜电极的电压为开路电压；

步骤S2：保持通气状态第一设定时间，若所述待测膜电极的电压出现波动，则判定所述待测膜电极存在缺陷；若所述待测膜电极的电压未出现波动，则进行步骤S3；

步骤S3：停止向所述待测膜电极的阴极通入空气或氧气、继续向所述待测膜电极的阳极通入氢气第二设定时间后，根据所述待测膜电极的电压判定所述待测膜电极是否合格。

优选的，所述检测装置包括：

夹具，所述夹具用于夹紧所述待测膜电极；

电压检测装置，所述电压检测装置安装在所述夹具上，用于检测所述待测膜电极的电压。

优选的，所述夹具上设置有阳极气体进气结构、阳极气体出气结构、阴极气体进气结构、阴极气体出气结构；和/或

所述夹具上设置有循环水结构，以在所述待测膜电极的缺陷检测过程中通入循环水。

优选的，在所述待测膜电极的缺陷检测过程中，通入循环水的温度为60-70℃。

优选的，在所述步骤S1、S2中：

所述待测膜电极的阳极的进气压力为30-60KPa；和/或

所述待测膜电极的阴极的进气压力为30-60KPa。

优选的，所述开路电压为0.85-1.05V，优选为0.9-1V。

优选的，在所述步骤S2中：

在通气状态下，若膜电极电压的波动幅度大于2mV，则认为所述待测膜电极的电压出现波动；和/或

所述第一设定时间为1-2min。

优选的，在所述步骤S3中：若所述待测膜电极的电压稳定在第二电压范围，则判定所述待测膜电极合格。

优选的，在所述步骤S3中：

所述第二设定时间为3-5min；和/或

所述第二电压范围为0.85-1.05V，优选为0.9-1V。

优选的，在所述步骤S3中：所述的停止向所述待测膜电极的阴极通入空气或氧气的步骤，具体为：向所述待测膜电极的阴极通入氮气。

优选的，在所述步骤S3中：若所述待测膜电极的电压下降，且所述待测膜电极在设定时间段的下降速率不小于5mV/s，则认为所述待测膜电极存在缺陷，不合格；优选的，所述设定时间段为4.5-5.5秒；若所述待测膜电极的电压稳定在0.9-1V，则认为所述待测膜电极合格。

与现有技术相比，本发明的燃料电池膜电极的缺陷检测方法至少具有下列有益效果：

本发明实施例提供的燃料电池膜电极的缺陷检测方法，通过将待测膜电极装在检测装置上，并向待测膜电极的阳极通入氢气、阴极通入空气，使待测膜电极处于通电状态，持续通气1-2min，若膜电极的电压出现波动，则判定待测膜电极存在缺陷，若电压未出现波动则进一步检测，具体地，停止向阴极通入空气，继续将阳极通入氢气一段时间(3-5min)后，若待测膜电极的电压稳定，则判定待测膜电极合格，若电压迅速下降则判定待测膜电极存在缺陷。由此可见，本发明提出的方法能实现在燃料电池电堆组装前就可以检测出膜电极是否存在缺陷目的，从而解决了现有技术由于反复拆装电堆而导致膜电极错位、燃料电池性能下降、工作效率低的技术问题。并且，由上可知本发明提出的方法对膜电极的缺陷检测过程花费的时间短(不到10分钟即可完成检测)，因此，本发明提出的燃料电池膜电极的缺陷检测方法的检测效率高。

进一步地，本发明实施例提供的燃料电池膜电极的缺陷检测方法，通过采用通用夹具，根据燃料电池的工作原理，该夹具上设置阳极气体进气结构、阳极气体出气结构、阴极气体进气结构、阴极气体出气结构、循环水结构；并且，在进行膜电极的缺陷检测时只需在夹具上安装用于检测膜电极电压的电压检测装置即可。由此可见，本发明提出的方法所用到的检测装置的结构简单、成本低、便于进行膜电极的缺陷检测。

综上，本发明实施例提供的燃料电池膜电极的缺陷测试方法，在电堆组装前可以检测出具有缺陷的燃料电池膜电极，避免因为膜电极检测精确度不足，导致将燃料电池膜电极组装完成的电堆安置至测试平台才发现膜电极的缺陷。本发明的方法具有测试方法简单、测试准确度高、提高工作效率等优点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的实施例提供的一种燃料电池膜电极的缺陷检测方法的流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

现有技术进行膜电极测试时，一般只检测膜电极的气密性是否满足要求，对于膜电极的电化学性能无法在膜电极装堆前进行测试，只有在膜电极装堆完成，进行加载测试时才可以判断膜电极的电化学性能是否满足要求，即膜电极是否有缺陷，判定出存在缺陷时，再进行拆解电堆，更换掉存在缺陷的膜电极后，重新装堆后再进行验证更换的膜电极是否有缺陷，增加了查找存在缺陷膜电极的难度，降低了工作效率，同时反复拆装可能还会造成膜电极的安装错位及污染，使得电堆的性能出现下降。

鉴于上述问题，本发明提供一种燃料电池膜电极的缺陷检测方法，可以在膜电极装堆前就检测识别出其是否存在缺陷，以避免将存在缺陷的膜电极装堆，提高了装堆的效率和成功率。

在此，本发明所涉及的检测膜电极的缺陷是指：在检测中可以检测出燃料电池膜电极的微量氢氧串气缺陷。本发明所设计的方案，检测更便于操作，同时本实验所涉及的膜电极缺陷检测方法，可以更精确的检测出膜电极串气缺陷；更实用于在电堆装配前对单片膜电极的检测。

在此需要说明的是：目前的检测方法无法对膜电极的单片进行微量检测(传统的检测方法是通过流量法和压力降法去检测整个电堆的气密性来间接检测膜电极的性能)，且传统的检测手段为流量法和压差法，对于整堆的检测，由于整堆由几十至几百片组装而成，使得单片的误差不容易检测出来；本发明所涉及的电化学检测相对传统检测手段的精密度更高。

如图1所示，本发明提供的一种燃料电池膜电极的缺陷检测方法，具体包括如下步骤：

步骤S1：将待测膜电极安装于检测装置上，向所述待测膜电极的阳极通入氢气、阴极通入空气(或阴极通入氧气)，使所述待测膜电极处于发电状态(即，开路状态)；此时，所述待测膜电极的电压(也称为单电池电压)为开路电压。

在此，本发明根据燃料电池的工作原理，采用夹具(该夹具为通用型)，该夹具上设置有阳极气体进气结构(如，进气腔)、阳极气体出气结构(如，出气腔)、阴极气体进气结构(进气腔)、阴极气体出气结构(出气腔)、循环水结构(循环水进水/出水腔)。

将待测膜电极安装在夹具上，夹具压紧所述待测膜电极；并将电压检测装置安装在夹具上，以检测待测膜电极的电压(即，单电池电压)。膜电极置于夹具中，通过采电板的电压信号输出即可判别。

具体地，该步骤包括：将待测膜电极安装于夹具中，单电池(膜电极)的阳极和阴极进口分别与阳极气源和阴极气源相连接，将电压检测装置安装于夹具中，并向夹具中通入循环水(循环水的温度为65±5℃)。开启阳极进气阀通入氢气，阴极进气阀通入空气，进气压力为30-60Kpa，此时，膜电极处于发电状态，观察此时单电池电压(膜电极电压)的数值，此时单电池电压应处于(0.9-1.0)±0.05V，优选为0.9-1.0V(即，开路电压)。

较佳地，阳极通入的氢气压力范围为相对压力0.6±0.1bar。阴极通入的空气压力范围为相对压力0.6±0.1bar。或者，所述待测膜电极的阳极的进气压力为30-60KPa、所述待测膜电极的阴极的进气压力为30-60KPa。

步骤S2：保持通气状态第一设定时间，若待测膜电极的电压出现波动(在持续通气条件下，若膜电极电压的波动幅度大于2mV，认为所述待测膜电极的电压出现波动)，则判定所述待测膜电极存在缺陷；若所述待测膜电极的电压未出现波动，则进行步骤S3。

在此，通气状态指的是保持步骤1)中的向阳极通入氢气、向阴极通入空气的状态。第一设定时间为1-2min。

步骤S3：停止向所述待测膜电极的阴极通入空气(或停止向所述待测膜电极的阴极通入氧气)、继续向所述待测膜电极的阳极通入氢气第二设定时间后，根据所述待测膜电极的电压判定所述待测膜电极是否合格。

在此，停止向所述待测膜电极的阴极通入空气(或停止向所述待测膜电极的阴极通入氧气)的操作是：向待测膜电极的阴极通入氮气。

具体地，第二设定时间后，若单电池电压出现快速下降，说明膜电极存在缺陷，如若电压稳定在0.9-1.0V左右，判定膜电极合格。较佳地，第二设定时间为3-5min。较佳地，电压快速下降的标准为：电压的下降速率不小于5mV/s(5s的时间段取值)。

在此需要说明的是：膜电极的缺陷主要是膜电极的串气，步骤S2与步骤S3的区别在于精度。步骤S2可以直接判断膜电极出现串气或者外部损伤等缺陷比较严重的膜电极，等同于传统的流量法和压降法测试的效果。步骤S3可以更精确的测试出膜电极的微量变化，兼顾测试的范围和精度。

本申请的设计原理是：膜电极在通入气体处于发电状态时，如膜电极无缺陷，开路电压是一个恒定值，一般处于0.9-1.0V之间，待通入气体稳定时，电压不会出现变化，所以可以通过通入气体稳定后电压是否出现波动来判定膜电极是否具有缺陷，可以作为膜电极的一种检测手段，在阴极通入氮气时，膜电极处于开路状态，电压在0.9-1.0V，只有出现缺陷的时候，膜电极的电压才会出现迅速下降。

下面通过具体实验实施例进一步对本发明进行详细说明：

实施例1

本实施例对其中一个膜电极(定义为第一膜电极)进行缺陷测试，具体步骤如下：

步骤S1：将第一膜电极安装于夹具中，夹具上的阳极进气口与阳极气源、阴极进气口与阴极气源连接，夹具上的循环水结构与水源连通；将电压检测装置置于夹具中，用于检测第一膜电极的电压。开启阳极进气阀以向第一膜电极的阳极通入氢气，开启阴极进气阀以向第一膜电极的阴极通入空气，进气压力为30Kpa。此时，第一膜电极处于发电状态(即开路状态，开路电压为0.9-1.0V)。

步骤S2：保持通气状态2min，第一膜电极的电压稳定，波动幅度小于2mV。

步骤S3：停止向所述第一膜电极的阴极通入空气(即，向第一膜电极的阴极通入氮气)、继续向所述第一膜电极的阳极通入氢气4min后，第一膜电极的电压未出现快速下降现象，稳定在0.9-1.0V。判定本实施例的第一膜电极合格，则可以进行装堆。

实施例2

本实施例对其中一个膜电极(定义为第二膜电极)进行缺陷测试，具体步骤如下：

步骤S1：将第二膜电极安装于夹具中，夹具上的阳极进气口与阳极气源、阴极进气口与阴极气源连接，夹具上的循环水结构与水源连通；将电压检测装置置于夹具中，用于检测第二膜电极的电压。开启阳极进气阀以向第二膜电极的阳极通入氢气，开启阴极进气阀以向第二膜电极的阴极通入空气，进气压力为40Kpa。此时，第二膜电极处于发电状态(即开路状态，开路电压为0.9-1.0V)。

步骤S2：保持通气状态1.5min，第二膜电极的电压稳定，波动幅度小于2mV。

步骤S3：停止向所述第二膜电极的阴极通入空气(即，向第二膜电极的阴极通入氮气)、继续向所述第二膜电极的阳极通入氢气5min后，第二膜电极的电压未出现快速下降现象，稳定在0.9-1.0V。判定本实施例的第二膜电极合格，则可以进行装堆。

实施例3

本实施例对其中一个膜电极(定义为第三膜电极)进行缺陷测试，具体步骤如下：

步骤S1：将第三膜电极安装于夹具中，夹具上的阳极进气口与阳极气源、阴极进气口与阴极气源连接，夹具上的循环水结构与水源连通；将电压检测装置置于夹具中，用于检测第三膜电极的电压。开启阳极进气阀以向第三膜电极的阳极通入氢气，开启阴极进气阀以向第三膜电极的阴极通入空气，进气压力为30Kpa。此时，第三膜电极处于发电状态(即开路状态，开路电压为0.95V)。

步骤S2：保持通气状态1.5min，第三膜电极的电压稳定，波动幅度小于2mV。

步骤S3：停止向所述第三膜电极的阴极通入空气(即，向第三膜电极的阴极通入氮气)、继续向第三膜电极的阳极通入氢气3min后，第三膜电极的电压迅速下降至0.48V。判定本实施例的第三膜电极存在缺陷。

实施例4

本实施例对其中一膜电极(定义为第四膜电极)进行缺陷测试，具体步骤如下：

步骤S1：将第四膜电极安装于夹具中，夹具上的阳极进气口与阳极气源、阴极进气口与阴极气源连接，夹具上的循环水结构与水源连通；将电压检测装置置于夹具中，用于检测第四膜电极的电压。开启阳极进气阀以向第四膜电极的阳极通入氢气，开启阴极进气阀以向第四膜电极的阴极通入空气，进气压力为30Kpa。此时，第四膜电极处于发电状态(即开路状态，开路电压为0.95V)。

步骤S2：保持通气状态2min，第四膜电极的电压出现波动，且电压波动至0.49V。判定本实施例的第四膜电极存在缺陷。

综上，本发明提出的一种燃料电池膜电极的缺陷检测方法，能实现在燃料电池电堆组装前就可以检测出膜电极是否存在缺陷目的，从而解决了现有技术由于反复拆装电堆而导致膜电极错位、燃料电池性能下降、工作效率低的技术问题。并且，本发明提出的燃料电池膜电极的缺陷检测方法对膜电极的缺陷检测过程花费的时间短，因此，本发明提出的燃料电池膜电极的缺陷检测方法的检测效率高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种燃料电池膜电极的缺陷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：将待测膜电极安装于检测装置上，向所述待测膜电极的阳极通入氢气、阴极通入空气或氧气，使所述待测膜电极处于发电状态；此时，所述待测膜电极的电压为开路电压；所述开路电压为0.85-1.05V；

步骤S2：保持通气状态第一设定时间，若所述待测膜电极的电压出现波动，则判定所述待测膜电极存在缺陷；若所述待测膜电极的电压未出现波动，则进行步骤S3；其中，在通气状态下，若膜电极电压的波动幅度大于2mV，则认为所述待测膜电极的电压出现波动；所述第一设定时间为1-2min；

步骤S3：停止向所述待测膜电极的阴极通入空气或氧气，向待测膜电极的阴极通入氮气、继续向所述待测膜电极的阳极通入氢气第二设定时间后，根据所述待测膜电极的电压判定所述待测膜电极是否合格；

其中，若所述待测膜电极的电压稳定在第二电压范围，则判定所述待测膜电极合格；所述第二设定时间为3-5min；所述第二电压范围为0.85-1.05V；

若所述待测膜电极的电压下降，且所述待测膜电极在设定时间段的下降速率不小于5mV/s，则认为所述待测膜电极存在缺陷，不合格；所述设定时间段为4.5-5.5秒。

2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的缺陷检测方法，其特征在于，所述检测装置包括：

夹具，所述夹具用于夹紧所述待测膜电极；

电压检测装置，所述电压检测装置安装在所述夹具上，用于检测所述待测膜电极的电压。

3.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极的缺陷检测方法，其特征在于，所述夹具上设置有阳极气体进气结构、阳极气体出气结构、阴极气体进气结构、阴极气体出气结构；和/或

所述夹具上设置有循环水结构，以在所述待测膜电极的缺陷检测过程中通入循环水。

4.根据权利要求3所述的燃料电池膜电极的缺陷检测方法，其特征在于，在所述待测膜电极的缺陷检测过程中，通入循环水的温度为60-70℃。

5.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池膜电极的缺陷检测方法，其特征在于，在所述步骤S1、S2中：

所述待测膜电极的阳极的进气压力为30-60KPa；和/或

所述待测膜电极的阴极的进气压力为30-60KPa。

6.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池膜电极的缺陷检测方法，其特征在于，所述开路电压为0.9-1V。

7.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的缺陷检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中：

所述第二电压范围为0.9-1V。

8.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的缺陷检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中：

若所述待测膜电极的电压稳定在0.9-1V，则认为所述待测膜电极合格。

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