CN202471354U - 一种运用红外热像技术的膜电极检漏装置 - Google Patents
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Abstract
一种运用红外热像技术的膜电极检漏装置。它包括氢气源、压力调节、夹具和红外热像等装置;其夹具装置包括上夹板、上密封材料、膜电极、下密封材料和底板,其上夹板中部为镂空形,底板具有和上夹板镂空形状及其面积一致的凹槽,底板一侧有与凹槽相联通的进气孔,其上夹板、上密封材料、膜电极、下密封材料、底板依次叠置,四周螺栓固定;氢气源的出口、压力调节装置的进出口和夹具装置的进气孔依序管道连接,红外热像装置位于夹具装置正上方。用本装置对膜电极检漏方法,氢气源供氢,使夹具装置中膜电极一侧与氢气接触,膜电极另一侧与大气或氧气相接触,通过红外热像装置监测膜电极活性区域温度分布,从而判断膜电极是否漏气、漏气部位以及气量。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极的检漏装置,更确切的说,是质子交换膜燃料电池膜电极的质子交换膜因破损导致的漏气点的检测装置。
背景技术
燃料电池是一种通过与氧气或是其他氧化剂的化学反应,把燃料的化学能转化为电能的装置。而氢气作为其中最普遍的燃料,只要燃料源源不断的供应,燃料电池就会不断产生电。由于燃料电池是直接把化学能转换成电能,其效率通常远远高于传统的内燃机。并且由于燃料电池的产物主要为水分,理想条件下可以CO2零排放,有利于环境保护。相比于传统内燃机,由于其没有移动部件,燃料电池也非常的安静。基于燃料电池有上述优点,其广泛适用于用于电站、电动汽车、铲车、飞机、船艇、潜水艇、便携式电源等。质子交换膜燃料电池(PEMFC),也叫聚电解质燃料电池(PEFC),是燃料电池中最有希望商业化的一种。通常,质子交换膜燃料电池中,聚合物电解质为质子交换膜,铂碳催化剂为电极,碳纸为气体扩散层,共同构成质子交换膜燃料电池的核心部件——膜电极。
在膜电极中,阳极的氢气,在催化剂的作用下发生氧化,变成氢离子,释放出电子。电子通过外电路到达阴极,从而产生燃料电池的电流输出。氢离子穿过质子交换膜,到达阴极,在催化剂的作用下,与到达阴极的电子和氧气反应生成水。在这个反应中,质子交换膜主要起了传递质子和阻隔阴阳极反应气体的作用。
由于膜电极中,催化剂为3nm左右的碳颗粒载铂,气体扩散层为200微米的厚的炭纸,都为多孔结构,便于反应气体的传输。故通常所指的膜电极检漏,主要用于检测膜电极中质子交换膜的漏气情况。而质子交换膜燃料电池中,为了减少由于质子传导引起的欧姆极化损失,理论上质子交换膜需要做得尽可能薄。因此,在工业生产中,或长期使用后,膜电极漏气现象时有发生。然而,气体渗透对燃料电池会有极大的危害。当氢气或氧气直接穿过质子交换膜,在催化剂表面接触,直接发生化学反应而非电化学反应,从而产生大量的热,不仅造成能源损耗,而且加速膜电极的衰退,对整个膜电极的性能造成影响。当膜电极漏气过大时,氢气浓度达到临界值时,有可能发生燃烧甚至爆炸。因此,质子交换膜燃料电池膜电极的检漏就是非常重要的一个步骤。
目前质子交换膜燃料电池膜电极检漏方法,主要有以下几种:在申请号为[CN201020515747.8]专利中,一种质子交换膜燃料电池膜电极的检漏装置,其特征是通过检漏装置一侧的进气孔通气加压,从另一侧的出气孔连接气体流量计或U型连通器来定量检测膜电极是否发生了气体的穿透而产生漏气。在申请号为[CN200410093105.2]的专利中,发明提供了一种燃料电池膜电极的真空检漏装置,使膜电极一侧为真空状态,另外一侧为空气,若20~30秒内,真空一侧压力表示数无变化,证明膜电极不漏气;否则,膜电极漏气。上述两个专利装置可以适用于燃料电池膜电极的检漏,但是这些装置并不能准确找出 膜电极的漏气位置,因而也就很难找出漏气的原因,从而无法快速找到解决问题的办法。而专利[CN200820300608.6]是根据膜电极中质子交换膜只导质子不导电子的原理,通过外加电压,根据电压表的示数变化判断质子交换膜是否破损。与之前专利相似,依然只能判断膜电极是否有缺陷,而不能判断具体的漏气位置,也就无法为问题分析提供依据。
而在申请号为[CN200810300300.6]的专利中,发明了一种燃料电池检漏的装置,将装置置于水中,通入气体后,若有气泡从盖板上密集的某一个孔中排出,可以判断出这一点处有缺陷。此装置部分解决了寻找漏气部位难的问题。但是,在实际检漏过程中,需要将整个装置置于水中,不仅过程繁琐,对水质有较高要求,而且灵敏度较差。
本实用新型公开的检漏装置应用现代红外热像技术,通过检测膜电极表面的温度差异确定膜电极的漏气位置和漏气量大小。相比较之前专利所用装置,不仅简便、便于操作、可以非接触式检测,而且更重要的是能准确定位漏气部位,和判断漏气量的大小,进而可以分析漏气原因。
实用新型内容
本实用新型的目的旨在提供一种快捷、准确地检测质子交换膜燃料电池膜电极漏气部位和相对漏气量大小的装置。本实用新型运用现代红外热像技术,通过监测膜电极表面温度差异,了解膜电极的漏气情况,从而达到对膜电极漏气性进行准确评估的目的。
实现本实用新型的理论基础:
当膜电极的质子交换膜存在缺陷时,氢气会从质子交换膜缺陷处渗透到膜电极的另一侧与空气中的氧气接触,在催化剂的作用下氢气与氧气发生催化燃烧反应放出大量的热量,使得氢气与氧气接触部位的温度显著提高。通过红外热像装置即可捕捉到温度的差异,从而确定漏气的准确部位以及相对漏气量大小。
红外线普遍存于自然界中,任何温度高于绝对零度(-273.16℃)的物体都会发出红外线。本实用新型所采用的红外热像技术是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上,从而获得红外热像图,这种热像图与物体表面的热分布场相对应。简单的说就是,红外热像技术就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的不同颜色代表被测物体的不同温度。红外热像装置的测试范围可以达到从-20℃~2000℃,温度分辨率在30℃条件下可以达到0.08℃。
催化剂是一种能提高化学反应速率,控制反应方向,在反应前后本身的化学性质不发生改变的物质。催化燃烧是燃料在催化剂表面进行的完全氧化反应。在催化燃烧反应过程中,反应物在催化剂表面形成低能量的表面自由基,生成振动激发态产物,并以红外辐射方式释放出能量。
在无催化剂的条件下,氢气和氧气在室温条件下(27℃)条件下,反应非常慢,几乎不发生反应。在质子交换膜燃料电池膜电极中,由于有Pt/C(碳载铂)催化剂的存在,氢气和氧气会发生催化燃烧反应而以红外辐射方式释放出能量。所释放的能量由红外热像装置捕捉,显示在其红外探测器的光敏元件上,形成红外热像图。通过对红外热像图的简单观察分析即可确定膜电极是否漏气、漏气点的位置,以及漏气量的大小。
实现本实用新型的技术方案:
本实用新型的一种运用红外热像技术的膜电极检漏装置(参见附图1、2),它包括氢气源装置1、压力调节装置2、夹具装置4和红外热像装置12;所述的夹具装置4包括上夹板5、上密封材料6-1、膜电极11、下密封材料6-2和底板7,所述的上夹板5中部有孔为镂空形,底板7具有和上夹板5镂空形状及其面积一致的凹槽,底板7一侧有与凹槽相联通的进气孔8,所述的上夹板5、上密封材料6-1、膜电极11、下密封材料6-2、底板7依次相叠置,其四周通过螺栓9和螺母10固定成一体;氢气源装置1的出口、压力调节装置2的进出口、和夹具装置4的进气孔8依次通过管道3连接,红外热像装置12位于夹具装置4正上方。
本实用新型的装置中,所述的氢气源装置是氢气瓶、氢气罐或氢气袋。
本实用新型的装置中,所述的压力调节装置的表压示数压强为0~5MPa,优选为0~0.5MPa,更好为0~0.15MPa。
本实用新型的装置中,所述的管道是金属管、塑料管或橡胶管。
本实用新型的装置中,所述的上夹板的长宽比从1~10,优选长宽比为2,厚度从0.5cm~2cm,优选厚度为0.8cm,所述的上夹板镂空结构的长宽比与外边框的长宽比保持一致。
本实用新型的装置中,所述的上密封材料和下密封材料内框镂空,形状及其尺寸与所述的上夹板5内框的完全一致,厚度为0.1~1mm,优选厚度为0.3mm;上密封材料和下密封材料的边框的宽为0.5cm~2cm,优选宽为1cm。
本实用新型的装置中,所述的膜电极11中间区域为活性区域,与上夹板5镂空形状及其尺寸完全一致。
本实用新型的装置中,所述的底板7的高度为1~5cm,优选高度为2cm,底板7凹槽的高度为其底板高度的10%~90%,优选为其底板高度的60%。
本实用新型的装置中,所述的所述的进气孔8在底板7水平方向一测,底板7的凹槽的形状及其尺寸与上夹板5的内框的完全一致,底板7外框与上夹板5的外框形状与尺寸完全一致
利用本实用新型装置对膜电极检漏的方法,通过氢气源装置提供氢气源,使在夹具装置中的膜电极的一侧与氢气接触,所述的膜电极的另一侧与大气或氧气相接触,通过红外热像装置监测所述的膜电极活性区域的温度分布,从而判断所述的膜电极是否漏气、漏气的准确部位以及相对漏气量大小。
附图说明
附图1为本实用新型的一种运用红外热像技术的膜电极检漏系统示意图
附图2为本实用新型的一种运用红外热像技术的膜电极检漏夹具装置结构示意图
附图3为本实用新型的一种运用红外热像技术的膜电极检漏夹具装置示意图
附图4为膜电极不漏气的红外热像图
附图5为膜电极存在小漏气点的红外热像图
附图6为膜电极存在较大漏气点的红外热像图
具体实施方式
下面结合实施例阐明本实用新型的内容。对于本领域的技术人员来说,不难看出本实用新型具有许多改进和替代形式,只要它们不背离本实用新型的范围和原理,应当理解,本实用新型不受下列示例性实施方式的限制。
本实用新型的一种运用红外热像技术的膜电极检漏装置如图1所示,该装置由氢气源装置1、压力调节装置2、夹具装置4、红外热像装置12构成。氢气源装置1与压力调节装置2通过管道3连接,压力调节装置2与夹具装置4通过管道3连接。红外热像装置12位于夹具装置4上方。氢气源装置1可以是氢气瓶,也可以是氢气罐,还可以是氢气袋。
压力调节装置2通过管道3与氢气源装置1连接,压力调节装置2的表压示数压强为0~5MPa,优选0~0.5MPa,更优选0~0.15MPa。
管道3主要起连接相关部件的功能,可以是金属管,也可以是塑料管,还可以是橡胶管。
本实用新型的夹具装置4如图2所示,由上夹板5、上密封材料6-1、膜电极11、下密封材料6-2和底板7依次相叠,上夹板5位于最上方,中间具有孔结构,四个角为圆孔,用螺栓9和螺母10固定,底板7水平一侧面接有进气孔8。
夹具装置4中,膜电极11位于上密封材料6-1和下密封材料6-2之间,用于确保垂直于膜电极11方向的气密性。其中,上下密封材料厚度为0.1~1mm,上下密封材料内框镂空,形状及其尺寸与上夹板5内框的完全一致。上下密封材料的边框的宽为0.5cm~2cm,。
夹具装置4中,膜电极11中间区域为活性区域,与上夹板5镂空形状及其尺寸完全一致。
夹具装置4中,底板7位于夹具装置4底部,具有和上夹板5镂空形状及其面积一致的凹槽,用于临时储存氢气,使氢气与膜电极11一侧充分接触。底板7的高度为1~5cm,底板7凹槽的高度为底板7高度的10%~90%,优选60%。
夹具装置4中,进气孔8在底板7水平方向一侧,进气孔8与底板7的凹槽相联通。使从进气孔8进入的氢气顺利进入底板7,与凹槽上方的膜电极11一侧充分接触。底板7的凹槽的形状及其尺寸与上夹板5的内框的完全一致。底板7外框与上夹板5的外框形状与尺寸完全一致。
夹具装置4中,将上述整个夹具装置4用螺栓9和螺母10用于将上述夹具装置4固定起来,如图3所示效果。可用四个夹子替代螺栓9和螺母10固定整个夹具装置4的作用,四个夹子分别位于夹具装置4的长宽四个边。
红外热像装置12置于夹具装置4上方,用于监测膜电极11活性区域的温度。
实施例1
使用如图1及图2所示的检漏装置。用管道3连接氢气源装置1、压力调节装置2、夹具装置4,放置红外热像装置12至夹具装置4上方。为进行对比,在压力调节装置2与夹具装置4之间的导管上连接一个气体流量计。所使用气体流量计为北京七星华创D08-1F型流量显 示仪,所使用的红外热像装置12为美国福禄克公司Fluke Ti10热像仪。
待检膜电极为7层结构,活性面积为120mm×100mm,质子交换膜为美国Dupont公司Nafion XL膜。
将待检的膜电极放入夹具装置4并装配好。氢气源装置1为压力为15MPa的氢气储气瓶,压力调节装置2为氢气减压阀,管道3为内径为6mm的聚酯型PU导气管。
打开氢气瓶阀门并调节氢气减压阀至出口气体为0.03MPa,使氢气进入夹具装置4。3分钟后,观察红外热像装置12。红外热像装置所显示的图像如图4所示。图4中,整个膜电极11活性区域的温度分布在33℃~34℃范围内,无明显颜色异常区域,因此可以判断该膜电极不存在漏气的情况。
观察气体流量计,流量计表示的气体流量小于0.1ml/min,也同样说明氢气无泄露,膜电极不漏气。
实施例2:
使用如图1及图2所示的检漏装置。用管道3连接氢气源装置1、压力调节装置2、夹具装置4,放置红外热像装置12至夹具装置4上方。为进行对比,在压力调节装置2与夹具装置4之间的导管上连接一个气体流量计。所使用气体流量计为北京七星华创D08-1F型流量显示仪,所使用的红外热像装置12为美国福禄克公司Fluke Ti10热像仪。
待检膜电极为7层结构,活性面积为120mm×100mm,质子交换膜为美国Dupont公司Nafion XL膜。
将待检的膜电极放入夹具装置4并装配好。氢气源装置1为压力为15MPa的氢气储气瓶,压力调节装置2为氢气减压阀,管道3为内径为6mm的聚酯型PU导气管。
打开氢气瓶阀门并调节氢气减压阀至出口气体为0.03MPa,使氢气进入夹具装置4。3分钟后,观察红外热像装置12。红外热像装置所显示的图像如图5所示。图5中,膜电极11正中偏右部位温度为36℃~37℃,而膜电极11其它活性区域的温度在32℃~33℃,因此可以判断该膜电极存在漏气的情况,且膜电极11正中偏右部位该点即为漏气点。
观察气体流量计,流量计表示的气体流量为1.1ml/min,证明膜电极存在漏气点。
实施例3:
使用如图1及图2所示的检漏装置。用管道3连接氢气源装置1、压力调节装置2、夹具装置4,放置红外热像装置12至夹具装置4上方。为进行对比,在压力调节装置2与夹具装置4之间的导管上连接一个气体流量计。所使用气体流量计为北京七星华创D08-1F型流量显示仪,所使用的红外热像装置12为美国福禄克公司Fluke Ti10热像仪。
待检膜电极为7层结构,活性面积为120mm×100mm,质子交换膜为美国Dupont公司Nafion XL膜。
将待检的膜电极放入夹具装置4并装配好。氢气源装置1为压力为15MPa的氢气储气瓶,压力调节装置2为氢气减压阀,管道3为内径为6mm的聚酯型PU导气管。
打开氢气瓶阀门并调节氢气减压阀至出口气体为0.03MPa,使氢气进入夹具装置4。3分钟后,观察红外热像装置12。红外热像装置所显示的图像如图6所示。图6中,膜电极中 心区域温度超过150℃,而膜电极11其它活性区域的温度在32~40℃,因此可以判断该膜电极存在漏气的情况,漏气点处于膜电极中心区域,且漏气量较大。
观察气体流量计,流量计表示的气体流量为130ml/min,证明膜电极存在漏气点,且漏气量较大。
Claims (7)
1.一种运用红外热像技术的膜电极检漏装置,其特征在于:该装置包括氢气源装置(1)、压力调节装置(2)、夹具装置(4)和红外热像装置(12);所述的夹具装置(4)包括上夹板(5)、上密封材料(6-1)、膜电极(11)、下密封材料(6-2)和底板(7),所述的上夹板(5)中部有孔为镂空形,底板(7)具有和上夹板(5)镂空形状及其面积一致的凹槽,底板(7)一侧有与凹槽相联通的进气孔(8),所述的上夹板(5)、上密封材料(6-1)、膜电极(11)、下密封材料(6-2)、底板(7)依次相叠置,其四周通过螺栓(9)和螺母(10固定成一体;氢气源装置(1)的出口、压力调节装置(2)的进出口、和夹具装置(4)的进气孔(8)依序通过管道(3)连接,红外热像装置(12)位于夹具装置(4)正上方。
2.如权利要求1所述的运用红外热像技术的膜电极检漏装置,其特征在于:氢气源装置(1)是氢气瓶、氢气罐或氢气袋。
3.如权利要求1所述的运用红外热像技术的膜电极检漏装置,其特征在于:压力调节装置(2)的表压示数压强为0~0.5MPa。
4.如权利要求1所述的运用红外热像技术的膜电极检漏装置,其特征在于:管道(3)是金属管、塑料管或橡胶管。
5.如权利要求1所述的运用红外热像技术的膜电极检漏装置,其特征在于:上夹板(5)的长宽比从1~10,上夹板(5)厚度从0.5cm~2cm,上夹板(5)镂空结构的长宽比与外边框的长宽比保持一致。
6.如权利要求1所述的运用红外热像技术的膜电极检漏装置,其特征在于:上密封材料(6-1)和下密封材料(6-2)内框镂空,形状及其尺寸与上夹板(5)内框的完全一致,厚度为0.1~1mm;上密封材料(6-1)和下密封材料(6-2)的边框的宽为0.5cm~2cm。
7.如权利要求1所述的运用红外热像技术的膜电极检漏装置,其特征在于:膜电极(11)中间区域为活性区域,与上夹板(5)镂空形状及其尺寸完全一致。
8.如权利要求1所述的运用红外热像技术的膜电极检漏装置,其特征在于:底板(7)的高度为1~5cm,底板(7)凹槽的高度为其底板高度的10%~90%。
9.如权利要求1所述的运用红外热像技术的膜电极检漏装置,其特征在于:底板(7)的高度为2cm,底板(7)凹槽的高度为其底板高度的60%。
10.如权利要求1所述的运用红外热像技术的膜电极检漏装置,其特征在于:所述的进气孔(8)在底板(7)水平方向一侧,底板(7)的凹槽的形状及其尺寸与上夹板(5)的内框的完全一致,底板(7)外框与上夹板(5)的外框形状与尺寸完全一致。
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