CN112540300B - 一种电堆膜电极泄漏检测方法 - Google Patents

一种电堆膜电极泄漏检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电堆膜电极泄漏检测方法，包括如下步骤：分别向电堆的阳极和阴极通入燃料和氧化剂，当电堆的阳极与阴极的压差达到设定正压差时，停止向电堆的阴极通入氧化剂，测试电堆的各个单体电池的电压下降速度；分别向电堆的阳极和阴极通入燃料和氧化剂，当电堆的阳极与阴极的压差达到设定负压差时，停止向电堆的阴极通入氧化剂，测试电堆的各个单体电池的电压下降速度；若在正压差测试步骤中测得第N节单体电池的电压下降速度大于设定速度，且在负压差测试步骤中测得第N节单体电池的电压下降速度小于设定速度，则第N节单体电池的膜电极出现泄漏。本检测方法的准确度更高。

Description

一种电堆膜电极泄漏检测方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种电堆膜电极泄漏检测方法。
背景技术
公告号为CN101697005A的中国专利披露了一种定位电堆中膜电极的泄漏位置的方法，将电堆装在电堆测试台，在阳极通入氢气，阴极通过空气，然后突然停止阴极侧的空气供应，通过判断电压下降速度定位泄漏的膜电极位置。该方法存在缺陷，一方面是会受到阴极侧外漏或者阴极侧和水侧内漏的干扰，另一方面，如果出现内部轻微短路，也会出现类似的现象，导致检测的准确度不高。公开号为CN111157198A的中国专利申请公开了一种燃料电池电堆中膜电极串漏与双极串漏的检测方法，该检测方法通过分别提高燃料腔燃料压力和氧化剂腔氧化剂压力，判断电压下降的电池位置是否一致，进而来判断膜电极是否泄漏。该方法也存在缺陷，因为如果是轻微的泄漏，较小的阴阳极压差对单体的电压影响很小，不一定能从单体电压监测仪器(简称CVM)上读出电压的区别。而且，膜电极的电压大小还跟催化剂的含量有关，因此该方法会受到干扰，检测准确度也不高。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种检测准确度更高的电堆膜电极泄漏检测方法。
为实现上述目的，本发明提供一种电堆膜电极泄漏检测方法，包括如下步骤：
正压差测试：分别向电堆的阳极和阴极通入燃料和氧化剂，当电堆的阳极与阴极的压差达到设定正压差时，停止向电堆的阴极通入氧化剂，测试电堆的各个单体电池的电压下降速度；
负压差测试：分别向电堆的阳极和阴极通入燃料和氧化剂，当电堆的阳极与阴极的压差达到设定负压差时，停止向电堆的阴极通入氧化剂，测试电堆的各个单体电池的电压下降速度；
若在正压差测试步骤中测得第N节单体电池的电压下降速度大于设定速度，且在负压差测试步骤中测得第N节单体电池的电压下降速度小于设定速度，则第N节单体电池的膜电极出现泄漏，其中N为自然数，且0＜N≤M，M为电堆中全部单体电池的数量。
进一步地，在正压差测试步骤中，当电堆的阳极与阴极的压差达到50kPa时，停止向电堆的阴极通入氧化剂；在负压差测试步骤中，当电堆的阳极与阴极的压差达到-50kPa时，停止向电堆的阴极通入氧化剂。
进一步地，在正压差测试步骤中，停止向电堆的阴极通入氧化剂后，测试、并记录各个单体电池的电压下降至0.1V所需的时间；在负压差测试步骤中，停止向电堆的阴极通入氧化剂后，测试、并记录各个单体电池的电压下降至0.1V所需的时间。
进一步地，在正压差测试步骤中，还需当电堆中全部单体电池的电压均达到0.9V时，停止向电堆的阴极通入氧化剂；在负压差测试步骤中，还需当电堆中全部单体电池的电压均达到0.9V时，停止向电堆的阴极通入氧化剂。
进一步地，在正压差测试步骤中，还需当电堆中全部单体电池的电压均达到0.9V并维持10s后，停止向电堆的阴极通入氧化剂；在负压差测试步骤中，还需当电堆中全部单体电池的电压均达到0.9V并维持10s后，停止向电堆的阴极通入氧化剂。
进一步地，所述燃料为氢气，所述氧化剂为空气。
进一步地，在分别向电堆的阳极和阴极通入氢气和空气时，空气的流量大于氢气的流量。
进一步地，氢气的流量为50NLPM，空气的流量为100NLPM。
进一步地，在执行正压差测试步骤和负压差测试步骤之前还需先执行如下步骤：
将电堆安装到电堆测试平台上，并将电堆的氢气进气管和空气进气管分别与电堆测试台的氢气供应管和空气供应管相连通，然后将电堆的全部单体电池与巡检系统的检测线一一对应连接；
开启电堆测试平台的数据采集系统，数据采集系统采集单体电池的电压、电堆的阳极和阴极的压力。
进一步地，所述数据采集系统的采集频率设置为10Hz。
如上所述，本发明涉及的电堆膜电极泄漏检测方法，具有以下有益效果：
对于泄漏的膜电极，在执行正压差测试步骤时，其阳极侧的燃料会快速串漏到阴极侧，使得具有该膜电极的单体电池的电压会较其它正常的单体电池更快速下降；相反，对于泄漏的膜电极，在执行负压差测试步骤时，其阴极侧的氧化剂会进入阳极侧，从而会阻碍阳极侧的燃料进入阴极侧，进而使得具有该膜电极的单体电池的电压会较其它正常的单体电池更慢速下降。这样，对于其膜电极出现泄漏的单体电池，在正压差和负压差两种不同条件下，其电压下降速度会分别明显呈快和慢的区别。且由于在负压差条件下双极板短路不会对电压下降的速度造成影响，若单体电池的电压在负压差条件下出现下降速度明显变慢的现象，则不会是因双极板轻微短路造成的。因此，本发明中电堆膜电极泄漏检测方法，基于上述步骤，不但可以检测出发生泄漏的膜电极，且可以排除电堆内部双极板轻微短路的影响，保证本检测方法的准确度更高。
附图说明
图1为本发明实施例中在进行正压差测试过程中，断开对阴极的空气供应后，各个单体电池的电压下降至0.1V所需的时间示意图。
图2为本发明实施例中在进行负压差测试过程中，断开对阴极的空气供应后，各个单体电池的电压下降至0.1V所需的时间示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明提供一种电堆膜电极泄漏检测方法，包括如下步骤：
正压差测试：分别向电堆的阳极和阴极通入燃料和氧化剂，当电堆的阳极与阴极的压差达到设定正压差时，停止向电堆的阴极通入氧化剂，测试电堆的各个单体电池的电压下降速度；
负压差测试：分别向电堆的阳极和阴极通入燃料和氧化剂，当电堆的阳极与阴极的压差达到设定负压差时，停止向电堆的阴极通入氧化剂，测试电堆的各个单体电池的电压下降速度；
若在正压差测试步骤中测得第N节单体电池的电压下降速度大于设定速度，且在负压差测试步骤中测得第N节单体电池的电压下降速度小于设定速度，则第N节单体电池的膜电极出现泄漏，其中N为自然数，且0＜N≤M，M为电堆中全部单体电池的数量。
对于泄漏的膜电极，在执行正压差测试步骤时，其阳极侧的燃料会快速串漏到阴极侧，使得具有该膜电极的单体电池的电压会较其它正常的单体电池更快速下降；相反，对于泄漏的膜电极，在执行负压差测试步骤时，其阴极侧的氧化剂会进入阳极侧，从而会阻碍阳极侧的燃料进入阴极侧，进而使得具有该膜电极的单体电池的电压会较其它正常的单体电池更慢速下降。这样，对于其膜电极出现泄漏的单体电池，在正压差和负压差两种不同条件下，其电压下降速度会分别明显呈快和慢的区别。且由于在负压差条件下双极板短路不会对电压下降的速度造成影响，若单体电池的电压在负压差条件下出现下降速度明显变慢的现象，则不会是因双极板轻微短路造成的。因此，本发明中电堆膜电极泄漏检测方法，基于上述步骤，不但可以检测出发生泄漏的膜电极，且可以排除电堆内部双极板轻微短路的影响，保证本检测方法的准确度更高。
本实施例中燃料为氢气，氧化剂为空气。且在分别向电堆的阳极和阴极通入氢气和空气时，空气的流量大于氢气的流量。
本实施例中电堆具体为燃料电池电堆，且该燃料电池电堆包含274片膜电极，即本实施例中M为274。本实施例中电堆膜电极泄漏检测方法具体涉及燃料电池电堆中膜电极的内漏检测方法。由于燃料电池的膜电极泄漏会造成单体电池的电压低，甚至会有安全隐患。在电堆生产时，需要对膜电极的内漏做检测，如果发现泄漏不合格，需要快速找出泄漏的膜电极位置。且由于电堆有几百片膜电极，要找出泄漏的膜电极非常耗时。本该方法可以快速的检测出泄漏的膜电极。
本实施例中电堆膜电极泄漏检测方法，具体依次包括如下步骤：
1、将电堆安装到电堆测试平台上，并将电堆的氢气进气管和空气进气管分别与电堆测试台的氢气供应管和空气供应管相连通，然后将电堆的全部单体电池与巡检系统的检测线一一对应连接；该巡检系统包括单体电压监测仪器；
2、开启电堆测试平台的数据采集系统，数据采集系统采集274节单体电池的电压、电堆的阳极和阴极的压力、电堆的阳极和阴极的气体流量；数据采集系统的采集频率设置为10Hz；
3、正压差测试：分别向电堆的阳极和阴极通入氢气和空气，气体流量可按照电堆怠速电流需求的气体流量设置，具体地氢气的流量为50NLPM，空气的流量为100NLPM，当电堆的阳极与阴极的压差达到50kPa，当电堆的阳极入口压力稳定，且当电堆中全部单体电池的电压均达到0.9V并维持10s后，设置电堆的阴极处的空气流量为0、即停止向电堆的阴极通入空气，等待一段时间，直至各个单体电池的电压下降至0.1V，且在此过程中测试、并记录各个单体电池的电压下降至0.1V所需的时间，该时间即反应了各个单体电池的电压下降速度，所需时间较短，说明对应的单体电池的电压下降速度较快；
4、负压差测试：分别向电堆的阳极和阴极通入氢气和空气，气体流量可按照电堆怠速电流需求的气体流量设置，具体地氢气的流量为50NLPM，空气的流量为100NLPM，当电堆的阳极与阴极的压差达到-50kPa，当电堆的阳极入口压力稳定，且当电堆中全部单体电池的电压均达到0.9V并维持10s后，设置电堆的阴极处的空气流量为0、即停止向电堆的阴极通入空气，等待一段时间，直至各个单体电池的电压下降至0.1V，且在此过程中测试、并记录各个单体电池的电压下降至0.1V所需的时间，该时间即反应了各个单体电池的电压下降速度，所需时间较长，说明对应的单体电池的电压下降速度较慢；
5、分析记录的数据，画图显示正压差测试时的单体电压下降时间和负压差测试时的单体电压下降时间，若在正压差测试步骤中测得第N节单体电池的电压下降至0.1V所需的时间小于设定时间，则说明在正压差条件下该第N节单体电池的电压下降速度大于设定速度，且若在负压差测试步骤中测得第N节单体电池的电压下降至0.1V所需的时间大于设定时间，则说明在负压差条件下该第N节单体电池的电压下降速度小于设定速度，进而则判断出第N节单体电池的膜电极出现泄漏，其中N为自然数，且0＜N≤274；具体地，如图1所示，本实施例中在正压差测试时，第121节和第153节单体电池的电压下降至0.1V所需的时间明显较短、且小于设定时间，即该两节单体电池的电压下降速度较快；如图2所示，在负压差测试时，第121节和第153节单体电池的电压下降至0.1V所需的时间明显较长、且大于设定时间，即该两节单体电池的电压下降速度较慢，从而判断出第121节和第153节单体电池的膜电极发生泄漏。
本实施例在正压差测试中，可设置电堆的阳极入口的压力为50kPa，电堆的阴极入口的压力为常压，即维持电堆的阳极和阴极的压差为正压差。在负压差测试中，可设置电堆的阳极入口的压力为常压，阴极入口的压力为50kPa，即维持电堆的阳极和阴极的压差为负压差。
在其它实施例中，在进行正压差测试和负压差测试过程中，需等待电堆中全部单体电池的电压均达到高于0.9V的设定电压且维持10s后，再断开空气供应。
本实施例中电堆膜电极泄漏检测方法在将电堆连接至电堆测试平台后，在电堆的阳极和阴极分别通入燃料和氧化剂，并通过分别设定阳极和阴极的压差为正压差和负压差，分两次比较断开氧化剂的供应后，单体电池的电压下降速度或单体电池的电压下降至0.1V所需的时间，则在正压差条件下电压下降速度过快、且在负压差条件下电压下降速度过慢的单体电池的膜电极出现泄漏。本电堆膜电极泄漏检测方法，能排除电堆内部双极板轻微短路的影响，如果是双极板轻微短路，不会出现在负压差条件下电压下降速度明显变慢的现象，因为短路不会受到膜电极两侧压差不同的影响。本电堆膜电极泄漏检测方法，能更加准确、且快速地检测出泄漏的膜电极。
本实施例中电堆膜电极泄漏检测方法，操作简单，能快速地检测出电堆中一片或多片泄漏的膜电极；且其检测准确性高，通过正负压差的交替验证，排除其他的因素干扰，保证其能够精准地判断出发生泄漏的膜电极。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种电堆膜电极泄漏检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
正压差测试：分别向电堆的阳极和阴极通入燃料和氧化剂，当电堆的阳极与阴极的压差达到设定正压差时，停止向电堆的阴极通入氧化剂，测试电堆的各个单体电池的电压下降速度；
负压差测试：分别向电堆的阳极和阴极通入燃料和氧化剂，当电堆的阳极与阴极的压差达到设定负压差时，停止向电堆的阴极通入氧化剂，测试电堆的各个单体电池的电压下降速度；
若在正压差测试步骤中测得第N节单体电池的电压下降速度大于设定速度，且在负压差测试步骤中测得第N节单体电池的电压下降速度小于设定速度，则第N节单体电池的膜电极出现泄漏，其中N为自然数，且0＜N≤M，M为电堆中全部单体电池的数量；
所述电堆为燃料电池电堆，所述燃料电池电堆包括多片膜电极。
2.根据权利要求1所述电堆膜电极泄漏检测方法，其特征在于，在正压差测试步骤中，当电堆的阳极与阴极的压差达到50kPa时，停止向电堆的阴极通入氧化剂；在负压差测试步骤中，当电堆的阳极与阴极的压差达到-50kPa时，停止向电堆的阴极通入氧化剂。
3.根据权利要求1或2所述电堆膜电极泄漏检测方法，其特征在于，在正压差测试步骤中，停止向电堆的阴极通入氧化剂后，测试、并记录各个单体电池的电压下降至0.1V所需的时间；在负压差测试步骤中，停止向电堆的阴极通入氧化剂后，测试、并记录各个单体电池的电压下降至0.1V所需的时间。
4.根据权利要求3所述电堆膜电极泄漏检测方法，其特征在于，在正压差测试步骤中，还需当电堆中全部单体电池的电压均达到0.9V时，停止向电堆的阴极通入氧化剂；在负压差测试步骤中，还需当电堆中全部单体电池的电压均达到0.9V时，停止向电堆的阴极通入氧化剂。
5.根据权利要求3所述电堆膜电极泄漏检测方法，其特征在于，在正压差测试步骤中，还需当电堆中全部单体电池的电压均达到0.9V并维持10s后，停止向电堆的阴极通入氧化剂；在负压差测试步骤中，还需当电堆中全部单体电池的电压均达到0.9V并维持10s后，停止向电堆的阴极通入氧化剂。
6.根据权利要求1所述电堆膜电极泄漏检测方法，其特征在于，所述燃料为氢气，所述氧化剂为空气。
7.根据权利要求6所述电堆膜电极泄漏检测方法，其特征在于，在分别向电堆的阳极和阴极通入氢气和空气时，空气的流量大于氢气的流量。
8.根据权利要求7所述电堆膜电极泄漏检测方法，其特征在于，氢气的流量为50NLPM，空气的流量为100NLPM。
9.根据权利要求1或6所述电堆膜电极泄漏检测方法，其特征在于，在执行正压差测试步骤和负压差测试步骤之前还需先执行如下步骤：
将电堆安装到电堆测试平台上，并将电堆的氢气进气管和空气进气管分别与电堆测试台的氢气供应管和空气供应管相连通，然后将电堆的全部单体电池与巡检系统的检测线一一对应连接；
开启电堆测试平台的数据采集系统，数据采集系统采集单体电池的电压、电堆的阳极和阴极的压力。
10.根据权利要求9所述电堆膜电极泄漏检测方法，其特征在于，所述数据采集系统的采集频率设置为10Hz。
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