CN114079068B - 一种燃料电池电堆窜气的检测方法及其应用 - Google Patents

一种燃料电池电堆窜气的检测方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种燃料电池电堆窜气的检测方法及其应用。所述检测方法包括以下步骤：(1)通过依次调节电堆的气体流量和背压阀，使待测电堆的各单电池的电压值分别独立地达到测试电压，完成电堆窜气检测的预处理；(2)完成预处理后调节阴极侧的进气气体流量为0，并逐渐关闭阳极侧的背压阀，调节阳极侧的气体流量使阳极侧气体出口表压达到第一压力，记录电堆各单电池的电压随时间的变化幅度值；(3)重复步骤(2)，重复出现步骤(2)所述变化幅度值超过30％的单电池位置即为电堆发生窜气的位置。本发明对燃料电池电堆的检测方法可以快速有效的得出检测结果，可以提高检测的精确度。

Description

一种燃料电池电堆窜气的检测方法及其应用
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池电堆窜气的检测方法及其应用。
背景技术
质子交换膜燃料电池通常由若干个单电池堆叠组成，形成串联结构，结构中含有阴极、阳极和冷却三个相互独立的流体流动腔体。其中，阴极腔体和阳极腔体由膜电极分开，膜电极是通过电化学反应将化学能转化为电能的场所，膜电极由质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、阴极气体扩散层、阳极气体扩散层组成。燃料气体在膜电极的阳极催化层发生还原反应，质子通过质子交换膜从阳极传递至阴极，氧化剂气体在膜电极的阴极催化层发生氧化反应，电子经由外电路传递形成电流。
燃料电池在正常运行时，对膜电极两侧燃料和氧化剂的窜气情况有严格的要求，人们会通过各种方法来满足要求，但仍然无法完全避免窜气情况的发生。一方面，膜电极组件在生产、运输、装配的过程中，难免会出现微小概率的损坏，使燃料电池堆出现窜气，另一方面，随着燃料电池的长时间运行，膜电极中质子交换膜的厚度、机械强度都会有所下降，膜电极的窜气情况也会越发严重。
燃料电池堆中膜电极发生窜气情况时，会使对应的单电池性能下降，进而影响电堆整体性能，当窜气较为严重时，会发生燃料与氧化剂较大浓度混合，极易引发爆燃等危险事故。为此，人们通常在电堆组装完成、下线测试完成后和电堆保养周期节点，进行电堆内部窜气测试。
CN111446475A公开了一种燃料电池膜电极窜气点检测装置、系统和检测方法，首先将膜电极安装于固定测试装置上，然后向检测装置中持续通入热气源，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。该发明需要将膜电极从电堆上拆解下来测试，适合膜电极生产下线检测，不适用于电堆产品上的膜电极窜气检测。
CN112331885A公开了一种适用于氢氧窜气的快速检测装置和检测方法，通过设置混气气罐，排除混气不均带来的干扰，简化检测工艺，可即时进行氢氧窜气检测，提高效率，增强安全可靠性。该发明在检测时需要配置混合气，检测方法较理想化，当电堆运行一段时间后，其内部易局部残留液态水，如果不将其有效排出，会严重干扰测试结果，同时，针对电堆复杂的内部结构设计，如果不去强化气体扩散，很容易使得气体分布不均，致使无法获得有效的检测结果，针对检测结果，该发明的判断依据不够严谨，只能针对理想情况做出初步判断，一旦检测结果出错，会对后续的试验、生产工作额外带来庞大的工作量。
CN111446475A公开了一种燃料电池膜电极窜气点检测装置、系统及检测方法。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。采用红外热成像仪观察温差，设备成本高。
如何快速准确检测电堆内部膜电极两侧燃料和氧化剂的窜气情况，精准定位发生窜气的单电池，是本领域的重要研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池电堆膜电极窜气的检测方法，快速准确检测电堆内部膜电极两侧燃料和氧化剂的窜气情况，精准定位发生窜气的单电池。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种电堆窜气的检测方法，所述检测方法包括以下步骤：
(1)通过依次调节电堆的气体流量和背压阀，使待测电堆的各单电池的电压值分别独立地达到测试电压，完成电堆窜气检测的预处理；
(2)完成预处理后调节阴极侧的进气气体流量为0，并逐渐关闭阳极侧的背压阀，调节阳极侧的气体流量使阳极侧气体出口表压达到第一压力，记录电堆各单电池的电压随时间的变化幅度值；
(3)重复步骤(2)，重复出现步骤(2)所述变化幅度值超过30％的单电池位置即为电堆发生窜气的位置。
本发明可以快速准确的检测电堆内部膜电极两侧燃料和氧化剂的窜气情况，精确定位发生窜气的单电池。通过步骤(1)调节电堆的气体流量和背压阀，可以将电堆阴极腔体和阳极腔体的杂质气体和可能残余的液态水吹出，可以使气体充分扩散至膜电极的多孔结构中使得气体分配更均匀，步骤(2)以电堆设计允许的最大阴、阳极工作压差为燃料气体压力，可以更快速有效的得出检测结果，贴近电堆正常使用的极限情况，避免因检测不充分，而无法识别安全风险。通过步骤(3)提高检测精确度，确保检测结果准确可靠，避免因检测结果错误，造成后续研发、生产工作出现大量问题。本发明所述待测电堆的每片双极片上都连接有巡检线，所述巡检线用来测试所述电堆中每个单电池的电压。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述气体流量的调节方法包括：同时向电堆的阴极侧和阳极侧分别独立地通入氧化剂气体和燃料气体。
优选地，所述阴极侧通入氧化剂气体。
优选地，所述阳极侧通入燃料气体。
作为本发明优选的技术方案，所述气体流量为所述电堆的单电池的电压达到0.8～0.85V时的设计流量值，其中所述电压可以是0.8V、0.81V、0.82V、0.83V、0.84V或0.85V等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述氧化剂气体和所述燃料气体的通入时间为0.5～2min，其中所述时间可以是0.5min、0.6min、0.7min、0.8min、0.9min、1.0min、1.1min、1.2min、1.3min、1.4min、1.5min、1.6min、1.7min、1.8min、1.9min或2min等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中所述氧化剂气体和所述燃料气体均排放至大气中。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述背压阀的调节方法包括第一调节阶段和第二调节阶段，所述第一调节阶段包括：维持气体流量为电堆的单电池的电压达到0.8～0.85V时的设计流量值，调节背压阀至阳极侧和阴极侧的气体入口处表压增加至第二压力。
本发明中所述背压阀分别独立地设置于所述阳极侧和阴极侧的气体出口处。
作为本发明优选的技术方案，所述阳极侧和阴极侧的气体入口处表压增加的速率相同。
优选地，所述背压阀的调节时间为0.5～2min，其中所述时间可以是0.5min、0.6min、0.7min、0.8min、0.9min、1.0min、1.1min、1.2min、1.3min、1.4min、1.5min、1.6min、1.7min、1.8min、1.9min或2min等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第二压力小于或等于电堆所允许的最大工作电压。
作为本发明优选的技术方案，所述第二调节阶段包括：维持气体流量为电堆的单电池的电压达到0.8～0.85V时的设计流量值，打开电堆阳极侧和阴极侧气体出口的背压阀。
优选地，重复所述背压阀的第一调节阶段和第二调节阶段直至所述电堆各单电池的电压值分别独立地达到测试电压为止。
作为本发明优选地技术方案，所述测试电压大于0.9V，其中所述电压可以是1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5或2V，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述电压值为测试电压时各单电池之间的最大偏差小于50mV，其中所述最大偏差可以是0mV、5mV、10mV、15mV、20mV、25mV、30mV、35mV、40mV、45mV或49mV等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述第一压力为电堆设计允许的最大阴极和阳极工作压差。
优选地，步骤(2)所述变化幅度值的测试时间间隔为1～1.5min，其中所述时间间隔可以是1min、1.1min、1.2min、1.3min、1.4min或1.5min等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述重复步骤(2)中变化幅度值测试的次数≥2次，其中所述次数可以是2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次或9次等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。其中，任意两次对应的变化幅度值偏差≤10％，其中所述偏差可以是0％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明的目的之二在于提供一种如目的之一所述的一种电堆窜气的检测方法的应用，所述检测方法应用于燃料电池领域。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明对燃料电池电堆的检测方法可以快速有效的得出检测结果，可以提高检测的精确度。
附图说明
图1是本发明实施例1电堆第一次检测初始开路电压巡检图。
图2是本发明实施例1电堆第二次检测1min后开路电压巡检图。
图3是本发明实施例1电堆第二次检测初始开路电压巡检图。
图4是本发明实施例1电堆第二次检测1min后开路电压巡检图。
图5是本发明实施例2电堆第一次检测初始开路电压巡检图。
图6是本发明实施例2电堆第一次检测1min后开路电压巡检图。
图7是本发明实施例2电堆第二次检测初始开路电压巡检图。
图8是本发明实施例2电堆第二次检测1min后开路电压巡检图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种燃料电池电堆膜电极窜气的检测方法，所述检测方法包括以下步骤：
(1)将新组装的电堆A(50片单电池)放置于测试台上，将电堆氧化剂气体和燃料气体的进出口与测试台的相应接口连接，将测试台上的巡检线固定于电堆的每片双极板上，确保测试台可以实时采集到每个单电池的电压；
(2)向电堆阴极侧和阳极侧同时通入空气和氢气，气体流量在电堆的单电池电压为0.85V时的设计流量值，均自然排放至大气中，持续0.5min；
(3)维持气体流量在电堆的单电池电压为0.85V时的设计流量值，逐渐调整氢气、空气出口的背压阀，使电堆氢气、空气入口的表压同时增加，并同时维持在50kPa，持续0.5min；
(4)维持气体流量在电堆的单电池电压为0.85V时的设计流量值，逐渐打开氢气、空气出口的背压阀，使气体均自然排放至大气中，直至背压阀完全打开，记录电堆各单电池的电压值；
(5)重复步骤3和步骤4，当电堆所有单电池电压均大于0.9V，且单电池电压间的最大偏差小于50mV时，可以继续进行电堆窜气检测；
(6)逐渐将电堆空气进口流量降为0，同时逐渐关闭电堆氢气出口处的背压阀，调整氢气进气流量，使氢气进口的表压维持在30kPa；记录此时电堆各单电池的电压值，作为初始开路电压巡检数据，如图1；1min后再次记录电堆各单电池的电压值，作为1min后开路电压巡检数据，如图2；对比1min前后各单电池电压变化情况，电压变化幅度超过30％的单电池为第27片单电池，由0.916V下降至0.529V，变化幅度值为0.387V；
(7)重复步骤5和步骤6，第二次检测结果中，电压变化幅度超过30％的单电池为第27片单电池，如图3、图4，由0.911V下降至0.518V，变化幅度值为0.393V，两次对应的变化幅度偏差为1.6％，则第27片单电池为电堆A可能发生窜气的位置。
实施例2
本实施例提供一种燃料电池电堆膜电极窜气的检测方法，所述检测方法包括以下步骤：
(1)将新组装的电堆B(250片单电池)放置于测试台上，将电堆氧化剂气体和燃料气体的进出口与测试台的相应接口连接，将测试台上的巡检线固定于电堆的每片双极板上，确保测试台可以实时采集到每个单电池的电压；
(2)向电堆阴极侧和阳极侧同时通入空气和氢气，气体流量在电堆的单电池电压为0.85V时的设计流量值，均自然排放至大气中，持续1.0min；
(3)维持气体流量在电堆的单电池电压为0.85V时的设计流量值，逐渐调整氢气、空气出口的背压阀，使电堆氢气、空气入口的表压同时增加，并同时维持在120kPa，持续1.0min；
(4)维持气体流量在电堆的单电池电压为0.85V时的设计流量值，逐渐打开氢气、空气出口的背压阀，使气体均自然排放至大气中，直至背压阀完全打开，记录电堆各单电池的电压值；
(5)重复步骤3和步骤4，当电堆所有单电池电压均大于0.9V，且单电池电压间的最大偏差小于50mV时，可以继续进行电堆窜气检测；
(6)逐渐将电堆空气进口流量降为0，同时逐渐关闭电堆氢气出口处的背压阀，调整氢气进气流量，使氢气进口的表压维持在35kPa；记录此时电堆各单电池的电压值，作为初始开路电压巡检数据，如图5；1min后再次记录电堆各单电池的电压值，作为1min后开路电压巡检数据，如图6；对比1min前后各单电池电压变化情况，电压变化幅度超过30％的单电池为第50片单电池，由0.916V下降至0.635V，变化幅度值为0.281V，第126片单电池，由0.924V下降至0.582V，变化幅度值为0.342V；
(7)重复步骤5和步骤6，第二次检测结果中，电压变化幅度超过30％的单电池为第50片单电池，由0.919V下降至0.626V，变化幅度值为0.293V，第126片单电池，由0.92V下降至0.562V，变化幅度值为0.358V。则第50片、第126片单电池为电堆B可能发生窜气的位置。如图7、图8所示。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (17)

1.一种电堆窜气的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：
(1)通过依次调节电堆的气体流量和背压阀，使待测电堆的各单电池的电压值分别独立地达到测试电压，完成电堆窜气检测的预处理；
(2)完成预处理后调节阴极侧的进气气体流量为0，并逐渐关闭阳极侧的背压阀，调节阳极侧的气体流量使阳极侧气体出口表压达到第一压力，记录电堆各单电池的电压随时间的变化幅度值；
(3)重复步骤(2)，重复出现步骤(2)所述变化幅度值超过30％的单电池位置即为电堆发生窜气的位置；
步骤(1)所述背压阀的调节方法包括第一调节阶段和第二调节阶段，所述第一调节阶段包括：维持气体流量为电堆的单电池的电压达到0.8～0.85V时的设计流量值，调节背压阀至阳极侧和阴极侧的气体入口处表压增加至第二压力。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤(1)所述气体流量的调节方法包括：同时向电堆的阴极侧和阳极侧分别独立地通入氧化剂气体和燃料气体。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述阴极侧通入氧化剂气体。
4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述阳极侧通入燃料气体。
5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述气体流量为所述电堆的单电池的电压达到0.8～0.85V时的设计流量值。
6.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述氧化剂气体和所述燃料气体的通入时间为0.5～2min。
7.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述阳极侧和阴极侧的气体入口处表压增加的速率相同。
8.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述背压阀的调节时间为0.5～2min。
9.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述第二压力小于或等于电堆所允许的最大工作压力。
10.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述第二调节阶段包括：维持气体流量为电堆的单电池的电压达到0.8～0.85V时的设计流量值，打开电堆阳极侧和阴极侧气体出口的背压阀。
11.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，重复所述背压阀的第一调节阶段和第二调节阶段直至所述电堆各单电池的电压值分别独立地达到测试电压为止。
12.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述测试电压大于0.9V。
13.根据权利要求11所述的检测方法，其特征在于，所述电压值为测试电压时各单电池之间的最大偏差小于50mV。
14.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤(2)所述第一压力为电堆设计允许的最大阴极和阳极工作压差。
15.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤(2)所述变化幅度值的测试时间间隔为1～1.5min。
16.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤(3)所述重复步骤(2)中变化幅度值测试的次数≥2次，其中，任意两次对应的变化幅度值偏差≤10％。
17.一种根据权利要求1-16任一项所述的电堆窜气的检测方法的应用，其特征在于，所述检测方法应用于燃料电池领域。
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