CN113991150B - 定位电堆内部泄漏单体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种定位电堆内部泄漏单体的方法，涉及燃料电池的技术领域。定位电堆内部泄漏单体的方法包括以下步骤：识别电堆是否处于离线状态；如果是，将多通道电化学测试设备与电堆连接；向电堆内充入100％RH的氮气对电堆的阴阳极进行加湿，并持续设定时间；进行EIS测试，获得每片单电池的膜电阻；将每片单电池的膜电阻与正常状态下满湿电堆的每片单电池的膜电阻的正态分布函数进行对比，判定高于范围值的为窜气的单电池；如果否，操作电堆处于离线状态。达到了能够快速检测泄漏单体的技术效果。

Description

定位电堆内部泄漏单体的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及定位电堆内部泄漏单体的方法。
背景技术
电堆测试完成后，需对电堆进行检漏试验，但是检测出来的窜气量仅代表整堆，无法定位具到体哪一片泄漏，或者泄漏量大，提高了对电堆的分析难度。现有技术通过在空气出口安装空气、氢气分离装置，分离出来的氢气通过氢气浓度传感器进行监测来确定电堆内部氢气窜入空气腔的量，再通过此检测出的含量来实现对电堆启停的控制，有效的保护了电堆。仅存在对电堆整堆定量的检测方法，尚无对电堆内部单体定位检测分析的方法。另一种方法是将电堆拆解，一片一片进行气密性检测，最终找到泄漏单体。
现有方法仅限于对在线状态下整堆窜气量的定量检测，无法定位到具体电堆单片，对电堆的诊断分析依然提供不了具体的分析。另外，一方面，此方法所用到的检测设备众多，造成成本高，另一方面，如果氢气窜气量大，在空气出口端氢气、空气混合气体进入分离器，氢气聚集，无异于增加了爆炸的风险，提高了危险性。电堆拆解的方法需要对每一片单电池进行气密性检测，工作量大而繁琐，浪费时间精力，严重降低工作效率。
因此，提供一种能够快速检测泄漏单体的定位电堆内部泄漏单体的方法成为本领域技术人员所要解决的重要技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定位电堆内部泄漏单体的方法，以缓解现有技术中检测泄漏单体繁杂的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种定位电堆内部泄漏单体的方法，包括以下步骤：
识别电堆是否处于离线状态；
如果是，将多通道电化学测试设备与电堆连接；
向电堆内充入100％RH的氮气对电堆的阴阳极进行加湿，并持续设定时间；
进行EIS测试，获得每片单电池的膜电阻；
将每片单电池的膜电阻与正常状态下满湿电堆的每片单电池的膜电阻的正态分布函数进行对比，判定高于范围值的为窜气的单电池；
如果否，操作电堆处于离线状态。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述多通道电化学测试设备的WE和RE接头分别与电堆的正负极连接；
所述多通道电化学测试设备的CE1～CEn+1接头分别与每片单电池的巡检相连。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，采用电流扰动法对电堆施加频率范围为10kHz－1Hz，扰动电流为1A的正弦电流。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，在停止氮气加湿后，进行EIS测试，记测得的电堆中单电池的高频截距为Ri，经过修正处理后得到膜电阻Rm(i)，其中i 为电堆内单电池的序号。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述修正处理包括对测得的电堆单电池的总电阻Ri减去电堆单电池的双极板电阻和碳纸电阻。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述修正处理还包括对测得的电堆单电池的总电阻Ri 减去双极板和碳纸两者之间的接触电阻。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，正常状态下满湿电堆的每片单电池的膜电阻的正态分布函数为：
Figure RE-GDA0003403690100000031
其中：
x为随机变量，指满湿电堆单体膜电阻；
μ为数学期望值，标准满湿膜电极膜电阻，通常由制造商给定；
σ为标准差，通常取1。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述设定时间在8－12分钟之间。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述设定时间为10分钟。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的一种可能的实施方式，其中，上述电堆的空气腔内与氢气腔存在10－20kPa的压差。
有益效果：
本发明实施例提供了一种定位电堆内部泄漏单体的方法，包括以下步骤：识别电堆是否处于离线状态；如果是，将多通道电化学测试设备与电堆连接；向电堆内充入100％RH的氮气对电堆的阴阳极进行加湿，并持续设定时间；进行EIS测试，获得每片单电池的膜电阻；将每片单电池的膜电阻与正常状态下满湿电堆的每片单电池的膜电阻的正态分布函数进行对比，判定高于范围值的为窜气的单电池；如果否，操作电堆处于离线状态。
具体的，在对燃料电池电堆的性能测试工作结束，工作人员对电堆进行气密性检测后，得到电堆处于非正常状态的前提下，通过将电堆调为离线状态，向电堆内充入100％RH的氮气对电堆的阴阳极进行加湿设定时间，然后采用多通道电化学测试设备直接对电堆中的单电池实时进行离线EIS测试，然后得到每片但电池的膜电阻，再将得到的膜电阻与通过正态分布所得到的正常状态下满湿电堆单体膜电阻的对比，即可定位得到泄漏单体的具体位置；通过使用常用的多通道电化学测试设备，不需要其他辅助设备和器材，操作方便快捷，无需增加额外成本，由于通过电堆的巡检线进行连接，且不需要探针插入膜电极里面，对电堆的密封性及质子交换膜结构无损伤，保证了电堆的完整性，省去许多繁琐重复的试验，提高工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的定位电堆内部泄漏单体的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供了一种定位电堆内部泄漏单体的方法，包括以下步骤：识别电堆是否处于离线状态；如果是，将多通道电化学测试设备与电堆连接；向电堆内充入100％RH的氮气对电堆的阴阳极进行加湿，并持续设定时间；进行EIS测试，获得每片单电池的膜电阻；将每片单电池的膜电阻与正常状态下满湿电堆的每片单电池的膜电阻的正态分布函数进行对比，判定高于范围值的为窜气的单电池；如果否，操作电堆处于离线状态。
具体的，在对燃料电池电堆的性能测试工作结束，工作人员对电堆进行气密性检测后，得到电堆处于非正常状态的前提下，通过将电堆调为离线状态，向电堆内充入100％RH(相对湿度，Relative Humidity)的氮气对电堆的阴阳极进行加湿设定时间，然后采用多通道电化学测试设备直接对电堆中的单电池实时进行离线EIS测试，然后得到每片但电池的膜电阻，再将得到的膜电阻与通过正态分布所得到的正常状态下满湿电堆单体膜电阻的对比，即可定位得到泄漏单体的具体位置；通过使用常用的多通道电化学测试设备，不需要其他辅助设备和器材，操作方便快捷，无需增加额外成本，由于通过电堆的巡检线进行连接，且不需要探针插入膜电极里面，对电堆的密封性及质子交换膜结构无损伤，保证了电堆的完整性，省去许多繁琐重复的试验，提高工作效率。
本实施例提供的定位电堆内部泄漏单体的方法的原理在于，电堆的单电池氢窜空或空窜氢窜气量大的话，在对电堆进行加湿的过程中，在相同的时间内，窜气的那片单电池相对于没有窜气的单电池的加湿速率会慢，因此在持续加湿设定时间后，窜气的那片单电池的电阻与未窜气的单电池的电阻不同，从而可以检测出来。
本实施例的可选方案中，多通道电化学测试设备的WE和RE接头分别与电堆的正负极连接；多通道电化学测试设备的CE1～CEn+1接头分别与每片单电池的巡检相连。
其中，WE和RE接头以及CE1～CEn+1接头为多通道电化学测试设备上的接头。
本实施例的可选方案中，采用电流扰动法对电堆施加频率范围为 10kHz－1Hz，扰动电流为1A的正弦电流。
本实施例的可选方案中，在停止氮气加湿后，进行EIS测试，记测得的电堆中单电池的高频截距为Ri，经过修正处理后得到膜电阻 Rm(i)，其中i为电堆内单电池的序号。
其中，EIS测试为：电化学阻抗谱 (ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy，简称EIS，也叫交流阻抗谱)：给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流信号，测量交流信号电压与电流的比值(此比值即为系统的阻抗)随正弦波频率ω的变化，或者是阻抗的相位角Φ随ω的变化。进而分析电极过程动力学、双电层和扩散等，研究电极材料、固体电解质、导电高分子以及腐蚀防护等机理。
本实施例的可选方案中，修正处理包括对测得的电堆单电池的总电阻Ri减去电堆单电池的双极板电阻和碳纸电阻。
本实施例的可选方案中，修正处理还包括对测得的电堆单电池的总电阻Ri减去双极板和碳纸两者之间的接触电阻。
具体的，将得到的电堆的单电池的总电阻减去电堆单电池的双极板电阻、碳纸电阻以及双极板和碳纸两者之间的接触电阻可以得到电堆单电池的膜电阻。
本实施例的可选方案中，正常状态下满湿电堆的每片单电池的膜电阻的正态分布函数为：
Figure RE-GDA0003403690100000081
其中：
x为随机变量，指满湿电堆单体膜电阻；
μ为数学期望值，标准满湿膜电极膜电阻，通常由制造商给定；
σ为标准差，通常取1。
本实施例的可选方案中，设定时间在8－12分钟之间。
本实施例的可选方案中，设定时间为10分钟。
具体的，将加湿的时间持续10分钟，通过这样的设置，可以使得未窜气的质子交换膜能够完全加湿，而窜气的质子交换膜没有完全加湿，从而使得未窜气的质子交换膜的电阻与窜气的质子交换膜的电阻不同。
本实施例的可选方案中，电堆的空气腔内与氢气腔存在 10－20kPa的压差。
具体的，通过将电堆的空气腔内与氢气腔设置10－20kPa的压差，可以放大泄漏量，使试验效果更明显。
其中，对电堆进行加湿，在电堆离线状态下，用100％RH氮气对电堆阴阳极进行加湿；其中，氮气的进气压力根据电堆气密性检测的窜气量大小进行改变，例如：空窜氢量在不可接受范围内，此时空气腔的氮气压力要大于氢气腔的氮气压力，即空气250kPaa，氢气230kPaa(压差设置在10－20kPa之间)。通过这样的设置，可以放大泄漏量，使试验效果更明显；氮气在设定压力下加湿10min后停止加湿。
将电化学测试设备与电堆进行连接，其中，将多通道电化学测试设备与电堆相连，其中多通道电化学测试设备的WE与RE分别与电堆的正负极相连，CE1～CEn+1分别与每片单电池的巡检相连；在停止氮气加湿后，马上进行EIS测试，采用电流扰动法对电堆施加频率范围为10kHz－1Hz，扰动电流为1A的正弦电流；在进行EIS测试中，记测得的电堆中单电池的高频截距为Ri(i为电堆内单电池的序号)，经过修正处理后得到膜电阻，记为Rm(i)(i为电堆内单电池的序号)，修正处理为，用Ri减去单电池的双极板电阻、碳纸电阻以及双极板电阻和碳纸电阻两者之间的接触电阻；最后将所测得的电堆中单电池的膜电阻Rm(i)与正常状态下满湿电堆的每片单电池的膜电阻的正态分布作对照，高于范围值的即为窜气的单体电池，进而定位到该电池，然后再对该单电池进行单独分析。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种定位电堆内部泄露单体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
识别电堆是否处于离线状态；
如果是，将多通道电化学测试设备与电堆连接；
向电堆内充入100％RH的氮气对电堆的阴阳极进行加湿，并持续设定时间；
进行EIS测试，采用电流扰动法对电堆施加频率范围为10kHz－1Hz，扰动电流为1A的正弦电流，获得每片单电池的膜电阻；
将每片单电池的膜电阻与正常状态下满湿电堆的每片单电池的膜电阻的正态分布函数进行对比，判定高于范围值的为窜气的单电池；
如果否，操作电堆处于离线状态。
2.根据权利要求1所述的定位电堆内部泄露单体的方法，其特征在于，所述多通道电化学测试设备的WE和RE接头分别与电堆的正负极连接；
所述多通道电化学测试设备的CE1～CEn+1接头分别与每片单电池的巡检相连。
3.根据权利要求1所述的定位电堆内部泄露单体的方法，其特征在于，在停止氮气加湿后，进行EIS测试，记测得的电堆中单电池的高频截距为Ri，经过修正处理后得到膜电阻Rm(i)，其中i为电堆内单电池的序号。
4.根据权利要求3所述的定位电堆内部泄露单体的方法，其特征在于，所述修正处理包括对测得的电堆单电池的总电阻Ri减去电堆单电池的双极板电阻和碳纸电阻。
5.根据权利要求4所述的定位电堆内部泄露单体的方法，其特征在于，所述修正处理还包括对测得的电堆单电池的总电阻Ri减去双极板和碳纸两者之间的接触电阻。
6.根据权利要求1所述的定位电堆内部泄露单体的方法，其特征在于，正常状态下满湿电堆的每片单电池的膜电阻的正态分布函数为：
Figure FDF0000020651750000021
其中：
x为随机变量，指满湿电堆单体膜电阻；
μ为数学期望值，标准满湿膜电极膜电阻，通常由制造商给定；
σ为标准差，通常取1。
7.根据权利要求1－6任一项所述的定位电堆内部泄露单体的方法，其特征在于，所述设定时间在8－12分钟之间。
8.根据权利要求7所述的定位电堆内部泄露单体的方法，其特征在于，所述设定时间为10分钟。
9.根据权利要求1－6任一项所述的定位电堆内部泄露单体的方法，其特征在于，所述电堆的空气腔内与氢气腔存在10－20kPa的压差。
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