CN117968950A - 一种橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测装置、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于测量轴承瞬态温度的微型薄膜热电偶传感系统，包本发明属于燃料电池技术领域，提供了一种橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测装置、系统及方法。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待测橡胶边框密封一体化膜电极，下端板的上表面设置有膜电极密封槽，膜电极密封槽底部布置薄膜热电偶矩形阵列，薄膜热电偶的测温点与待测膜电极密封线对齐，下端板的下表面设有进气口，上端板设有贯穿孔阵列，贯穿孔阵列覆盖待测膜电极的碳纸区域。本发明的橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测装置通过密封件槽底的热电偶对橡胶边框与膜电极结合部位的温度进行检测，通过红外热成像仪观测每个贯穿孔内的温度变化。在不损坏膜电极的前提下，能够快速锁定橡胶边框密封一体化膜电极内发生阴阳极内漏的位置。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测装置、系统及方法。
背景技术
氢燃料电池是一种新型能源，以氢气和空气作为反应物，具有效率高、功率密度大、反应产物仅为水、低温启动性好等多方面的优点，被公认为下一代车用动力的主要发展方向。质子交换膜燃料电池电堆主要由质子交换膜(PEM)、催化剂层(CL)、气体扩散层(GDL)、双极板(BPP)、端板组成。CCM由质子交换膜(PEM)及其两侧的催化剂层(CL)组成，其中膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件，主要由质子交换膜(PEM)、催化剂层(CL)、气体扩散层(GDL)组成，其中化学能直接转化为电能。
质子交换膜燃料电池具有诸多优点，但是目前难以快速商业化的一个主要难题，就是质子交换膜燃料电池的耐久性和安全性。电池的密封性能对电池的安全运行和工作效率十分关键。燃料电池堆普遍采用数百个单电池串联组装而成，任意一个单电池的密封结构出现泄漏、窜气，都会导致电池性能急剧下降，最后导致电池故障。MEA的密封失效主要分为密封腔向外界泄漏、密封腔与密封腔相互窜气以及阴阳极之间内漏等泄漏形式，前两种泄漏方式主要由密封介质特性及压缩率等因素决定。对于阴阳极之间的气体内漏来说，主要由质子膜的破损和膜电极密封件边缘密封失效导致。对于膜电极阴阳极内漏的检测来说，质子交换膜的破损主要可以通过红外热成像法或发泡法进行检测，膜电极密封件边缘密封失效的检测由于膜电极密封件通过端板压缩密封，窜气到另一侧的气体有一个水平方向的初速度，会在气体扩散层(GDL)内部运动，气体不会立即上升，最终产生气体的点位与膜电极密封件的实际内漏位置存在偏差，所以普通的气泡法和热成像法并不能准确定位膜电极密封件阴阳极内漏位置。因此，亟需一种快速锁定膜电极发生阴阳极内漏位置的方法，对质子膜破损或膜电极阴阳极内漏位置进行检测分析，对后续的膜电极密封结构密封性能改进和提升是非常重要的。
发明内容
本发明的主要目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测装置、系统及方法。能够实现对燃料电池橡胶边框密封一体化膜电极发生阴阳极内漏的位置进行检测，具有安装快捷、检测准确的优点。
根据本发明实施例的橡胶边框密封一体化膜电极内漏位置检测装置包括：
所述上端板和所述下端板之间设置待测橡胶边框密封一体化膜电极，所述待测橡胶边框密封一体化膜电极的橡胶边框和膜电极的结合部位设置有一圈密封线，所述下端板的上表面设有密封槽，所述密封槽底部设置有薄膜热电偶线性阵列，所述上端板设置有贯穿孔阵列，所述贯穿孔阵列覆盖所述待测膜电极碳纸区域，所述下端板的密封槽包围区域内设置有进气口，所述进气口连接一个气源。
所述贯穿孔成矩阵排列分布，所述贯穿孔阵列于顶压所述膜电极以减小所述膜电极在质子膜两侧压差较大时的变形量以及为红外热成像仪提供监测孔。
所述密封槽对应膜电极底部布置薄膜热电偶线性阵列，相邻薄膜热电偶的距离≤0.2mm，用于对所述待测膜电极密封件进行准确测温。
所述压缩垫片的厚度由所述膜电极的压缩率决定。
所述压缩垫片的数量与所述紧固螺杆的数量一致。
所述密封槽的尺寸、形状与所述待测膜电极密封件的尺寸、形状一致。
所述薄膜热电偶的测温点与所述待测膜电极的膜电极和密封边框结合处的密封线对齐，所述薄膜热电偶的动态响应时间≤1μs，所述薄膜热电偶的厚度≤5μm。
所述上端板和所述下端板设有定位孔，所述上端板和所述下端板设有定位孔，所述定位孔用于供定位销穿过以实现所述上端板、所述下端板以及所述待测膜电极的定位装配。
一种橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测系统，包括所述检测装置、所述红外热成像仪、气体管路以及温度采集设备，所述检测装置下端板的进气孔与气体管路相连，所述气体管路包括气源、加热器、冷却器以及开关阀门，所述上端板与所述红外热成像仪固定连接，所述薄膜热电偶经温度变送器连接至数据接收器。
一种橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测方法，包括以下步骤：
S1、将金属垫片、定位销、待测膜电极依次放置到对应的下端板凹槽中，将上端板对准叠合，通过紧固螺杆夹紧固定；
S2、打开所有阀门，进行通气，将残留的水蒸气排出；
S3、打开进气阀1，排气阀流量调至10％-50％，关闭进气阀2，将干气通过加热器加热至60-80℃，将热气通入进气孔，待测膜电极温度达到60℃后停止通气；
S4、打开进气阀2、关闭进气阀1和排气阀，将干气通过冷却器降温至-20--40℃，压力达到30-50kpa后，关闭进气阀2，利用红外热成像观察所有贯穿孔内的温度成像，观察并记录温度降低的点位，降温明显的点位即膜电极阴阳极内漏位置，表明所述膜电极的质子膜存在破损；观察薄膜热电偶的在各个测量点位温度变化，温度明显降低的点位即膜电极阴阳极内漏位置，表明所述膜电极密封件在该位置存在阴阳极内漏。
较现有技术相比，本发明具有一下有益效果：
1、通过热电偶和红外热成像的结合不仅可以检测膜电极中质子膜穿孔的位置，还可以检测膜电极密封件阴阳极内漏的位置，完成对膜电极中阴阳极内漏位置的快速锁定。
2、薄膜热电偶的测温点与所述待测膜电极密封线对齐，直接对密封筋温度进行检测，效果明显，结果准确。
3、所述上端板的格栅可以增加气体流动性，改善气体与膜电极的换热效果。
4、通过先通热气后通冷气的顺序，增加所述待测膜电极阴阳极内漏位置温差变化，测试结果更明显，提升了检测精度。
附图说明
构成本发明的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测系统的结构示意图。
图2是本发明橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测装置下端板的结构示意图。
图3是本发明橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测装置上端板的结构示意图。
图4是本发明橡胶边框密封一体化膜电极的结构示意图。
图中：1-上端板；2-金属垫片；3-下端板；4-进气孔；5-待测膜电极；6-定位孔；7-固定槽；8-薄膜热电阻；9-监测孔；10-密封槽；11-待测膜电极密封线；12-气体扩散层；13-橡胶密封边框。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。
参照图1至图3所示，本发明提供了一种橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测装置，所述上端板1和所述下端板3之间设置待测橡胶边框密封一体化膜电极5，所述待测橡胶边框密封一体化膜电极5的橡胶边框和膜电极的结合部位设置有一圈密封线11，所述下端板3的上表面设有密封槽10，所述密封槽10底部设置有薄膜热电偶线性阵列8，所述上端板1设置有贯穿孔阵列9，所述贯穿孔阵列9覆盖所述待测膜电极5碳纸区域，所述下端板3的密封槽10包围区域内设置有进气口4，所述进气口4连接一个气源。
贯穿孔阵列9呈矩阵排列分布，所述贯穿孔阵列9用于顶压所述待测橡胶边框密封一体化膜电极5以减小所述膜电极在质子膜两侧压差较大时的变形量以及为红外热成像仪提供监测孔。
薄膜热电偶8的测温点与所述待测膜电极5的密封线11对齐。
密封槽10与待测膜电极5的密封件尺寸、形状相对应。
上端板1和下端板3设有定位孔6，定位孔6用于供定位销穿过以实现上端板1、下端板3以及待测膜电极5的定位装配。
下端板3上表面设置有放置金属垫片2的固定槽7，金属垫片2的厚度由待测膜电极5的压缩率确定。
相邻薄膜热电偶8的距离≤0.2mm，用于对待测膜电极的密封件进行测温，薄膜热电偶8的动态响应时间≤1μs，所述薄膜热电偶8的厚度≤5μm。
下面描述本发明实施例的检测系统。
一种橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测系统，包括检测装置和红外热成像仪，检测装置下端板的进气孔4与气源相连，下端板3与气源之间设有加热器和冷却器，上端板1与红外热成像仪固定连接，薄膜热电偶8经温度变送器连接至数据接收器。
下面描述本发明实施例的检测方法。
一种橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测方法，包括以下步骤：
S1、将金属垫片2、定位销、待测膜电极5依次放置到对应的下端板3密封槽10中，将上端板1对准叠合，通过紧固螺杆夹紧固定；
S2、打开所有阀门，进行通气，将残留的水蒸气排出；
S3、打开进气阀1，排气阀流量调至10％-50％，关闭进气阀2，将干气通过加热器加热至60-80℃，将热气通入进气孔4，待测膜电极5温度达到60℃后停止通气；
S4、打开进气阀2、关闭进气阀1和排气阀，将干气通过冷却器降温至-20--40℃，压力达到30-50kpa后，关闭进气阀2，利用红外热成像观察所有贯穿孔内的温度成像，观察并记录温度降低的点位，降温明显的点位即膜电极阴阳极发生内漏的位置，表明所述待测膜电极5的质子膜存在穿孔；观察薄膜热电偶8的各个测量点位的温度变化，温度明显降低的点位即膜电极密封件阴阳极内漏位置，表明所述膜电极5密封件在该位置存在阴阳极内漏。
以上所述仅为本发明的优选实施例，可以理解的是，以上实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均包括在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测装置，其特征在于，包括上端板(1)和下端板(3)，所述上端板(1)和所述下端板(3)之间设置待测橡胶边框密封一体化膜电极(5)，所述待测橡胶边框密封一体化膜电极(5)的橡胶边框(13)和膜电极的结合部位设置有一圈密封线(11)，所述下端板(3)的上表面设有密封槽(10)，所述密封槽(10)底部设置有薄膜热电偶线性阵列(8)，所述上端板(1)设置有贯穿孔阵列(9)，所述贯穿孔阵列(9)覆盖所述待测膜电极碳纸区域(12)，所述下端板(3)的密封槽(10)包围区域内设置有进气口(4)，所述进气口(4)连接一个气源。
2.根据权利要求1所述的橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测装置，其特征在于，所述贯穿孔阵列(9)呈矩阵排列分布，所述贯穿孔阵列(9)用于顶压所述待测橡胶边框密封一体化膜电极(5)以减小所述膜电极在质子膜两侧压差较大时的变形量以及为红外热成像仪提供监测孔。
3.根据权利要求1所述的橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测装置，其特征在于，所述薄膜热电偶(8)的测温点与所述待测膜电极(5)的密封线(11)对齐。
4.根据权利要求1所述的橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测装置，其特征在于，所述密封槽(10)的底部设置薄膜热电偶线性阵列(8)，相邻薄膜热电偶(8)的距离≤0.2mm，用于对所述待测膜电极(5)的密封线位置进行准确测温。
5.根据权利要求1所述的橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测装置，其特征在于，所述薄膜热电偶(8)的动态响应时间≤1μs，所述薄膜热电偶(8)的厚度≤5μm。
6.一种橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测系统，其特征在于，包括权利要求1所述检测装置和红外热成像仪，检测装置所述下端板(3)的进气孔(4)与气源和压力表相连，所述下端板(3)与气源之间设有加热器和冷却器，所述上端板(1)与红外热成像仪固定连接，所述薄膜热电偶(8)经温度变送器连接至数据接收器。
7.一种橡胶边框密封一体化膜电极阴阳极内漏位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将金属垫片(2)、定位销、待测膜电极(5)依次放置到对应的下端板(3)凹槽中，将上端板(1)对准叠合，通过紧固螺杆夹紧固定；
S2、打开所有阀门，进行通气，将残留的水蒸气排出；
S3、打开进气阀1，排气阀流量调至10％-50％，关闭进气阀2，将干气通过加热器加热至60-80℃，将热气通入进气孔(4)，待测膜电极(5)温度达到60℃后停止通气；
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