CN112701334B - 电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，包括如下步骤：向电堆的阳极通入燃料，并向电堆的阴极通入氧化剂，当电堆的阳极与阴极的压差达到设定压差后，停止向电堆的阳极通入燃料，同时向电堆的阳极通入吹扫气体，测试电堆的各个单体电池的电压下降速度；若测得第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的阴阳极出现颠倒，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。本电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，通过上述步骤且在不拆开电堆的情况下，就能准确快速地判断出电堆中相应的膜电极是否出现阴阳极颠倒情况，操作简单，所用时间短，诊断速度快。

Description

电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法

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中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法。

背景技术

燃料电池膜电极在最终的组装时，需要将涂有催化剂的膜(简称CCM)、气体扩散层(简称GDL)和边框压装在一起，组成七合一膜电极。现有技术中通过手工或者半自动产线生产膜电极时，一般先将CCM卷放卷裁切成需要的尺寸大小后，使用人工将其移动至固定的位置，并进行最终的压装。在这个过程中，由于膜电极两面都涂有电极层，没有颜色上的差别，工人可能会将阴阳极放反，导致最终组装的膜电极，阴阳两极颠倒。膜电极阴阳极颠倒后，在运行时，会出现明显的性能差，且寿命变短。现有的方法很难在膜电极组装完成后，通过物理检测的方式判断膜电极是否出现阴阳极颠倒，而是需要在组装成电堆后，通过检测性能差异来判断。且在最终的性能检测时，如果膜电极的性能出现异常，现已公开的技术没有从测试层面快速的判断异常是否是由于膜电极阴阳极颠倒造成的。现有的确认发生异常的膜电极是否出现阴阳极颠倒的方法，需要将电堆拆开，取出异常的膜电极，再将其两侧的气体扩散层剥除后，通过检测阴阳极的涂布厚度来最终判断，这样的确认过程操作起来异常复杂，确认速度也较慢。

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操作简单的电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法。

为实现上述目的，本发明提供一种电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，包括如下步骤：

向电堆的阳极通入燃料，并向电堆的阴极通入氧化剂，当电堆的阳极与阴极的压差达到设定压差后，停止向电堆的阳极通入燃料，同时向电堆的阳极通入吹扫气体，测试电堆的各个单体电池的电压下降速度；

若测得第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的阴阳极出现颠倒，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，当电堆的阳极与阴极的压差达到设定的负压差后，停止向电堆的阳极通入燃料。

进一步地，当电堆的阳极与阴极的压差达到-10kPa后，停止向电堆的阳极通入燃料。

进一步地，向电堆的阳极通入吹扫气体的流量小于向电堆的阴极通入氧化剂的流量。

进一步地，在向电堆的阳极通入吹扫气体后，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，当电堆中全部单体电池的平均电压达到0.9V时，停止向电堆的阳极通入燃料，同时向电堆的阳极通入吹扫气体。

进一步地，当电堆中全部单体电池的平均电压达到0.9V并维持10s后，停止向电堆的阳极通入燃料，同时向电堆的阳极通入吹扫气体。

进一步地，所述吹扫气体为氮气。

进一步地，向电堆的阴极通入氧化剂的流量大于向电堆的阳极通入燃料的流量。

进一步地，在分别向电堆的阳极和阴极通入燃料和氧化剂前，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。

如上所述，本发明涉及的电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，具有以下有益效果：

由于膜电极的阴极的催化剂含量比阳极高，通常是阳极的2～4倍，对于阴阳极颠倒的膜电极，其阳极的催化剂含量相当于是其他膜电极的阳极催化剂含量的2～4倍，该阴阳极颠倒的膜电极的阳极表面具备吸附更多燃料的能力。在分别向电堆的阳极和阴极通入燃料和氧化剂后，所有的膜电极均会产生开路电压、简称OCV，在停止向阳极通入燃料后，阴极的氧化剂会渗透到阳极；且在停止向阳极通入燃料后，同时利用吹扫气体对阳极进行吹扫，原本阳极的燃料大部分都在双极板流道内，少量燃料分布在气体扩散层的孔隙和电极表面，采用吹扫气体对阳极进行吹扫会快速的置换双极板流道内的燃料，只剩下气体扩散层的孔隙和电极表面会有少量的燃料；这样，从阴极渗透过来的氧化剂只需要还原气体扩散层的孔隙和电极表面的燃料后，膜电极的电压就会下降；而对于阴阳极颠倒的膜电极，由于其阳极能吸附2～4倍的燃料，使得在利用吹扫气体进行吹扫后，其阳极的气体扩散层的孔隙和电极表面所剩的燃料是正常膜电极的2～4倍，从而导致阴阳极颠倒的膜电极的电压下降速度会很明显的慢于其它正常的膜电极。因此，本电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，基于此种原理，并通过上述步骤且在不拆开电堆的情况下，就能准确快速地判断出电堆中相应的膜电极是否出现阴阳极颠倒情况，操作简单，所用时间短，诊断速度快。

附图说明

图1为本发明实施例中在停止向电堆的阳极通入燃料，改为向电堆的阳极通入吹扫气体后，各个单体电池的电压下降至0.1V所需时间的示意图。

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。

本实施例提供一种电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，包括如下步骤：

向电堆的阳极通入燃料，并向电堆的阴极通入氧化剂，当电堆的阳极与阴极的压差达到设定压差后，停止向电堆的阳极通入燃料，同时向电堆的阳极通入吹扫气体，测试电堆的各个单体电池的电压下降速度；

若测得第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的阴阳极出现颠倒，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。

由于膜电极的阴极的催化剂含量比阳极高，通常是阳极的2～4倍，对于阴阳极颠倒的膜电极，其阳极的催化剂含量相当于是其他膜电极的阳极催化剂含量的2～4倍，该阴阳极颠倒的膜电极的阳极表面具备吸附更多燃料的能力。在分别向电堆的阳极和阴极通入燃料和氧化剂后，所有的膜电极均会产生开路电压、简称OCV，在停止向阳极通入燃料后，阴极的氧化剂会渗透到阳极；且在停止向阳极通入燃料后，同时利用吹扫气体对阳极进行吹扫，原本阳极的燃料大部分都在双极板流道内，少量燃料分布在气体扩散层的孔隙和电极表面，采用吹扫气体对阳极进行吹扫会快速的置换双极板流道内的燃料，只剩下气体扩散层的孔隙和电极表面会有少量的燃料；这样，从阴极渗透过来的氧化剂只需要还原气体扩散层的孔隙和电极表面的燃料后，膜电极的电压就会下降；而对于阴阳极颠倒的膜电极，由于其阳极能吸附2～4倍的燃料，使得在利用吹扫气体进行吹扫后，其阳极的气体扩散层的孔隙和电极表面所剩的燃料是正常膜电极的2～4倍，从而导致阴阳极颠倒的膜电极的电压下降速度会很明显的慢于其它正常的膜电极。因此，本电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，基于此种原理，并通过上述步骤且在不拆开电堆的情况下，就能准确快速地判断出电堆中相应的膜电极是否出现阴阳极颠倒情况，操作简单，所用时间短，诊断速度快。另外，如果没有采用吹扫气体对阳极进行吹扫，由于大量的燃料仍存在于双极板流道内，气体扩散层的孔隙和电极表面吸附的燃料总量相对于双极板流道内的燃料量来说，微乎其微，即使阴阳极颠倒的膜电极的气体扩散层孔隙和电极表面吸附燃料量与其他正常的膜电极存在差异，该差异对电压下降速度的影响也甚小，难以体现出来。

本实施例中向电堆的阳极通入的燃料具体为氢气，向电堆的阴极通入的氧化剂具体为空气，向电堆的阳极通入的吹扫气体具体为氮气。且在分别向电堆的阳极和阴极通入燃料和氧化剂时，向电堆的阴极通入氧化剂的流量大于向电堆的阳极通入燃料的流量。而在停止向电堆的阳极通入燃料，同时向电堆的阳极通入吹扫气体时，会继续向电堆的阴极通入氧化剂，且向电堆的阳极通入吹扫气体的流量小于向电堆的阴极通入氧化剂的流量。

本实施例中电堆具体为燃料电池电堆，且电堆具体包含230片膜电极，即本实施例中M为230。本电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，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，以利用巡检系统检测、记录每一片单体电池的电压；

2、向电堆的阳极通入一定流量的氢气，并向电堆的阴极通入一定流量的空气，气体流量可按照电堆怠速电流需求的气流流量设置，具体地氢气流量为50NLPM，空气流量为100NLPM；设置电堆的阴极气体压强略高于阳极气体压强，当电堆的阳极与阴极的压差达到设定的负压差后，具体地当电堆的阳极与阴极的压差达到-10kPa后，且当电堆中全部单体电池的平均电压达到0.9V并维持10s后，继续向电堆的阴极通入空气，并停止向电堆的阳极通入氢气，同时向电堆的阳极通入氮气，以利用氮气对阳极进行吹扫，且氮气流量是空气流量的一半，具体为50NLPM；等待一段时间，直至所有单体电池的电压均降至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；

3、分析记录数据，先画图显示所有单体电池的电压下降至0.1V所需的时间，再对各个单体电池所需时间进行比较分析，若测得第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，则说明第N节单体电池的电压下降速度小于设定速度，进而判定第N节单体电池的膜电极在组装过程中出现阴阳极颠倒，且出现阴阳极颠倒的单体电池的电压下降至0.1V所需时间通常是其他正常的单体电池所需时间的2倍以上。如图1所示，本实施例中第100节单体电池的电压下降至0.1V所需的时间明显大于其他单体电池所需时间，且第100节单体电池所需时间也大于设定时间，甚至是设定时间的两部以上，即第100节单体电池的电压下降速度明显慢于其他正常单体电池的电压下降速度，且小于设定速度，因此确定第100节单体电池的膜电极的阴阳极出现颠倒。

本实施例中在向电堆的阳极通入氢气时，氢气的压强为常压，或略大于常压即可。另外，在其它实施例中，需当电堆中全部单体电池的平均电压大于0.9V，且维持10s后，停止向阳极供应氢气，同时改为向阳极供应吹扫用的氮气。

本实施例的电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法用于在燃料电池电堆生产过程中进行故障检测。由于电堆生产中经常出现某片膜电极的阴阳极颠倒的情况，在线下测试时会发现该片膜电极的性能差。采用本诊断方法在对电堆性能检测过程中，若发现某片膜电极性能差、如电压异常时，能快速判断其是否由于阴阳极颠倒导致的。本实施例中电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，测试操作简单，速度快，在不拆开电堆的情况下，即可判断膜电极出现异常问题的原因。

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 (8)

1.一种电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

向电堆的阳极通入燃料，并向电堆的阴极通入氧化剂，当电堆的阳极与阴极的压差达到设定压差后，停止向电堆的阳极通入燃料，同时向电堆的阳极通入吹扫气体，利用吹扫气体对阳极进行吹扫，测试电堆的各个单体电池的电压下降速度；

若测得第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的阴阳极出现颠倒，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；

向电堆的阳极通入吹扫气体的流量小于向电堆的阴极通入氧化剂的流量；

所述吹扫气体为氮气。

2.根据权利要求1所述电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，其特征在于，当电堆的阳极与阴极的压差达到设定的负压差后，停止向电堆的阳极通入燃料。

3.根据权利要求1或2所述电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，其特征在于，当电堆的阳极与阴极的压差达到-10kPa后，停止向电堆的阳极通入燃料。

4.根据权利要求1所述电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，其特征在于，在向电堆的阳极通入吹扫气体后，测试、并记录各个单体电池的电压下降至0.1V所需的时间。

5.根据权利要求1或4所述电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，其特征在于，当电堆中全部单体电池的平均电压达到0.9V时，停止向电堆的阳极通入燃料，同时向电堆的阳极通入吹扫气体。

6.根据权利要求1所述电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，其特征在于，当电堆中全部单体电池的平均电压达到0.9V并维持10s后，停止向电堆的阳极通入燃料，同时向电堆的阳极通入吹扫气体。

7.根据权利要求1所述电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，其特征在于，向电堆的阴极通入氧化剂的流量大于向电堆的阳极通入燃料的流量。

8.根据权利要求1所述电堆中膜电极阴阳极颠倒的诊断方法，其特征在于，在分别向电堆的阳极和阴极通入燃料和氧化剂前，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。

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