DE10393237T5

DE10393237T5 - Verfahren zum Detektieren elektrischer Defekte in Membranelektrodenanordnungen

Info

Publication number: DE10393237T5
Application number: DE10393237T
Authority: DE
Inventors: Michael W. Murphy; Brian A Litteer
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2023-09-04
Also published as: WO2004023578A2; CN100501392C; AU2003263014A8; WO2004023578A3; DE10393237B4; US20040048113A1; CN1695071A; US7179553B2; JP2005538509A; AU2003263014A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen der Anwesenheit von Defekten in einer Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer Protonenaustauschmembran (PEM) und Elektroden, die an entgegengesetzten Seiten der PEM angeordnet sind, umfassend, dass:
eine Potentialdifferenz über die MEA angelegt wird und eine Infrarotstrahlung, die von einer Oberfläche zumindest einer der Elektroden abgestrahlt wird, überwacht wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Detektieren von Fehlern in einer Membranelektrodenanordnung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Elektrochemische Zellen, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle, erzeugen Elektrizität durch die elektrochemische Reaktion eines Reaktanden und eines Oxidationsmittels. Eine elektrochemische Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode mit einer Protonenaustauschmembran zwischen den beiden Elektroden. Ein Reduktionsmittel wird an die Anode und ein Oxidationsmittel an die Kathode eingeführt. Eine bevorzugte Brennstoffzelle verwendet Wasserstoff (H₂) als das Reduktionsmittel oder eine Brennstoffquelle, und Sauerstoff (O₂) als das Oxidationsmittel entweder in reiner gasförmiger Form oder kombiniert mit Stickstoff, wie beispielsweise in Luft. Beim Betrieb der Brennstoffzelle leiten leitende Elemente benachbart der jeweiligen Elektroden Elektronen, die während der Reduktions-Oxidations-Reaktion, die in der Brennstoffzelle stattfindet, erzeugt werden.

Eine einzelne Brennstoffzelle umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die eine Protonenaustauschmembran (PEM) umfasst, die zwischen eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode geschichtet ist. Ein Polymer, das zur Verwendung als eine PEM gewählt ist, besitzt bevorzugt spezielle Eigenschaften, wie Permeabilität für Protonen wie auch elektrische Isolierung. In der Praxis besteht die Tendenz, dass Polymere mit einer typischen Dicke von etwa 10 bis 125 μm, die diese Erfordernisse erfüllen, relativ brüchig und dünn sind. Wenn die Elektroden auf die PEM aufgebracht werden, um die MEA zu bilden, wird die PEM Bedingungen mit relativ hoher Belastung ausgesetzt, die hohe Temperatur wie auch hohen Druck umfassen. Da die PEM-Membran brüchig ist, wird sie vorsichtig gehandhabt und verarbeitet, um physikalische Risse oder ein Ausdünnen zu minimieren.

Die an der PEM in einer MEA angebrachten Elektroden können fein geteilte katalytische Partikel (beispielsweise Edelmetalle), um die jeweiligen elektrochemischen Reaktionen zu erleichtern, wie auch elektrisch leitende Partikel, z. B. Kohlenstoff, umfassen. Die Edelmetalle wie auch die vorsichtige Handhabung, die während der Herstellung der MEA erforderlich ist, sind teuer. Insgesamt führen die damit in Verbindung stehenden Komponenten und der mit der MEA in Verbindung stehende Zusammenbau oftmals zu Fehlern oder Defekten. Somit besteht ein Bedarf nach einem Verfahren zum Detektieren derartiger Fehler oder Defekte.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Detektieren von Defekten in einem Zusammenbau mit einer elektrisch isolierenden Membran vor. Das Verfahren umfasst, dass eine Spannung über die elektrisch isolierende Membran durch ein erstes und zweites elektrisch leitendes Substrat angelegt wird, die mit einer ersten bzw. zweiten Fläche der Membran in Kontakt stehen. Bei einem bevorzugten Aspekt umfasst das Verfahren ferner, dass Änderungen des Intensitätsniveaus von Infrarotstrahlung, die von der Membran ausgesendet wird, detektiert werden, indem Infrarotenergie erfasst wird, die von der Oberfläche zumindest eines des ersten oder zweiten elektrisch leitenden Substrats ausgesendet wird, wobei derartige Änderungen des Intensitätsniveaus von Infrarotstrahlung die Anwesenheit und bevorzugt den Ort der Defekte aufzeigen.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische isometrische Explosionsdarstellung einer flüssigkeitsgekühlten Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM) ist;
2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2' von 1 ist, die eine beispielhafte Membranelektrodenanordnung (MEA) zeigt;
3 eine vergrößerte Ansicht der MEA ist, die leitende katalytische Partikel, die in die PEM eindringen bzw. diese durchdringen, aufweist;
4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4' von 1 einer, beispielhaften MEA ist, die zwischen Diffusionsmediumlagen und leitende Platten geschichtet ist;
5 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Infrarotstrahlungsprüf- und Überwachungssystems ist;
6 ein Beispiel einer thermografischen Abtastung ist, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugt wird und eine MEA mit Defekten zeigt;
7 eine schematische Ansicht einer allgemeinen Ausführung eines anderen beispielhaften Infrarotprüf- und Überwachungssystems mit leitenden Substraten ist; und
8 ein Schema eines Anteils eines Infrarotprüf- und Überwachungssystems ist, das einen für Infrarotstrahlung transparenten Festkörper mit einem auf die MEA ausgeübten Außendruck aufweist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihre Benutzung zu beschränken.
Bei einem Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Anwesenheit von Defekten in einer Membranelektrodenanordnung (MEA) vor. Bei einem bevorzugten Aspekt wird der Ort von Defekten in einer MEA bestimmt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden elektrische Defekte dadurch detektiert, dass eine Potentialdifferenz über die MEA durch ein Energieversorgungsmittel angelegt wird und eine Infrarotstrahlungskamera zur Wärmedetektion verwendet wird, um die Anwesenheit von Defekten und bevorzugt den Ort der Defekte zu detektieren. Vor der detaillierten Beschreibung der Erfindung ist es nützlich, die Grundelemente einer Brennstoffzelle und Komponenten der MEA, an der Defekte entstehen können, zu verstehen.
In 1 ist allgemein eine beispielhaft Membranelektrodenanordnung (MEA) gezeigt. 1 zeigt einen eine einzelne Zelle unfassenden Brennstoffzellenstapel 2 mit bipolarer PEM, der eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 4 umfasst. Die MEA ist von anderen Brennstoffzellen (nicht gezeigt) in einem Stapel durch elektrisch leitende, flüssigkeitsgekühlte bipolare Platten bzw. Bipolplatten 14, 16 getrennt. Die MEA 4 und die bipolare Platte 14, 16 sind zwischen Klemmplatten 10 und 12 aus rostfreiem Stahl aneinander gestapelt. Zumindest eine der Arbeitsseiten der leitenden bipolaren Platten 14, 16 umfasst eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen 18, 20 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d. h. H₂ und O₂) an die MEA 4. Nichtleitende Dichtungen 26, 28 sehen Abdichtungen wie eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Für Gas durchlässige Kohlenstoff/Graphit-Diffusionslagen 34, 36 werden an die Elektro denflächen 30, 32 der MEA 4 gepresst. Die elektrisch leitenden bipolaren Platten 14 und 16 werden an die Kohlenstoff/Graphit-Papierdiffusionslagen 34 bzw. 36 gepresst. Sauerstoff wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 geliefert, während Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 44 geliefert wird. Alternativ dazu kann Luft an die Kathodenseite von der Umgebung geliefert werden und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) sowohl für die H₂- als auch O₂-/Luft-Seiten der MEA 4 vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohrung 50, 52 ist vorgesehen, um flüssiges Kühlmittel an die leitenden Bipolar- bzw. Endplatten 14, 16 zu liefern. Eine geeignete Verrohrung zum Austrag von Kühlmittel von den Endplatten 14, 16 ist ebenfalls vorgesehen, jedoch nicht gezeigt.
In 2 ist eine MEA 4 gezeigt, bei der poröse Elektroden 60 eine Anode 62 an der Brennstoffseite und eine Kathode 64 an der Sauerstoffseite bilden. Die Anode 62 ist von der Kathode 64 durch eine Protonenaustauschmembran (PEM) 66 getrennt. Die PEM 66 sorgt für einen Ionentransport, genauer einen Protonentransport (d. h. H⁺-Transport), um Reaktionen in der Brennstoffzelle 2 zu erleichtern.
Eine bevorzugte PEM-Membran 66 ist aus einem protonenleitenden Polymer ausgebildet, das in der Technik gut bekannt ist. Dieses Polymer ist im Wesentlichen ein Ionentauscherharz, das Ionengruppen in seiner Polymerstruktur umfasst, die eine Kationenbeweglichkeit durch das Polymer ermöglichen. Eine breite Klasse von protonenleitenden Kationen tauscherpolymeren umfasst das so genannte Sulfonsäure-Kationentauscherharz. Ein bevorzugtes Harz dieses Typs ist ein Elektrolyt aus perfluoriertem Sulfonsäurepolymer, in dem die gesamte Membranstruktur Ionentauschereigenschaften besitzt. Eine kommerzielle protonenleitende Membran aus sulfoniertem Perfluorkohlenstoff, die zur Verwendung als eine PEM geeignet ist, wird von E. I. DuPont de Nemours & Co. mit der Handelsbezeichnung NAFION^® vertrieben. Ähnlicherweise sind andere protonenleitende Membrane kommerziell zur Auswahl durch Fachleute verfügbar.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst jede Elektrode 60 auf den entgegengesetzten Seiten der PEM-Membran 56, 58, die die MEA 4 bilden, eine jeweilige Gruppe fein geteilter Kohlenstoffpartikel 70 mit sehr fein geteilten katalytischen Partikeln 72, die an Innen- und Außenflächen der Kohlenstoffpartikel 70 getragen sind, und ein protonenleitendes Material 74, das mit den katalytischen Partikeln 72 und Kohlenstoffpartikeln 70 gemischt ist. Die Anodenkatalysatorpartikel 72 erleichtern bevorzugt eine Aufspaltung von Wasserstoffgas (H₂), wobei Protonen und freie Elektronen gebildet werden. Protonen wandern über die PEM 66 zur Reaktion an die Kathodenseite 64. Die katalytischen Partikel 72, die in der Kathode 64 vorhanden sind, beschleunigen die Reaktion zwischen Protonen und Sauerstoffgas, wodurch als ein Nebenprodukt Wasser erzeugt wird. Ein bevorzugtes katalytisches Material funktioniert als ein Katalysator bei sowohl den Anoden- als auch Kathodenreaktionen, wobei ein derartiger Katalysator beispielsweise Platin und seine Legierungen ist.
Die katalytischen Partikel 72 oder die den Katalysator tragenden Kohlenstoffpartikel 76 (2 und 3) sind über einen Polymerbin der oder ein protonenleitendes Matrixmaterial 74 verteilt, das typischerweise ein protonenleitendes Polymer und/oder ein Fluorpolymer umfasst. Wenn ein protonenleitendes Material verwendet wird, umfasst es typischerweise dasselbe protonenleitende Polymer, das die PEM 66 bildet (beispielsweise NAFION^®). Das Fluorpolymer umfasst typischerweise Polytetrafluorethylen (PTFE), obwohl auch andere, wie beispielsweise FEP (Perfluorethylenpropylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy-Copolymer) und PVDF (Polyvinylidenfluorid) verwendet werden können. Diese Polymere erzeugen eine robuste Struktur zum Halten des Katalysators, haften gut an der PEM an, unterstützen ein Wassermanagement in der Zelle und steigern Ionentauscherkapazitäten der Elektroden.
Das zumindest teilweise Einbetten der Elektroden 60 in die Membran 66 unter Druck sorgt für einen kontinuierlichen Pfad von Protonen durch das leitende Material 66, 74 von einer Seite der MEA 4 zu der anderen. Das enge Vermischen des protonenleitenden Materials 74 mit dem Katalysator 72 und den Kohlenstoffpartikeln 70 sieht einen kontinuierlichen Pfad für Protonen zu dem Katalysatorort vor, an dem die Reaktion stattfindet. Die Elektroden 60 sind an der PEM 66 durch eine Vielzahl in der Technik bekannter Verfahren befestigt, wie beispielsweise beschrieben ist in den U.S.-Patenten Nr. 6,074,692, das am 13. Juni 2000 erteilt wurde; 5,272,017, das am 21. Dezember 1993 erteilt wurde oder 5,316,871, das am 31. Mai 1994 erteilt wurde. Ein derartiges Verfahren umfasst eine heiß gepresste Elektrodenaufschlämmung, die im Wesentlichen einteilig mit der Membran 66 ausgebildet wird. Somit können einige katalytische Kohlenstoffpartikel 76 zumindest teilweise in die Membran 66 gebracht werden (siehe 3). Diese katalytischen Kohlenstoffpartikel 76 sind abrasiv, und wenn die PEM 66 einer Temperatur und einem Druck von herkömmlichen Verarbeitungsbedingungen ausgesetzt wird, können schwächere Bereiche der PEM 66 teilweise oder vollständig durchdrungen werden, wie beispielsweise in 3 bei 75, 77 gezeigt ist. Dieser Prozess zum Herstellen der MEA 4 kann elektrische Defekte unterstützen, da, wenn die leitenden Kohlenstoffpartikel 76 zu weit in die Membran vorragen, wie in 3 gezeigt ist, dies einen unerwünschten elektrisch leitenden Pfad und daher einen Defekt 80 zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 62, 64 durch die PEM 66 bewirkt.
Wie allgemein in den 1 und 4 gezeigt ist, können elektrische Defekte auch während nachfolgender Konstruktionsschritte beim Zusammenbau der Brennstoffzelle 2 entstehen. In der Brennstoffzelle 2 wird die MEA 4 zwischen zwei Gasdiffusionslagen 34, 36 gepresst, die durch elektrisch leitende Elektrodenplatten 14, 16 begrenzt sind. Die Diffusionslagen 34, 36 werden an beide Elektrodenflächen 30, 32 der MEA 4 gepresst und dienen (1) als die Primärstromkollektoren für die Anode 62 und Kathode 64 und (2) als mechanische Abstützung für die MEA 4. Das Diffusionsmedium ist aus einem für Gas durchlässigen und leitenden Material ausgebildet, das die Diffusionslage 34, 36 bildet. Dieses Diffusionsmedium ist typischerweise porös mit etwa 80%–90% Poren und kann Kohlenstoff- oder Graphit-Papier bzw. Kohlenstoff- oder Graphitgewebe, feinmaschige Edelmetallsiebe und dergleichen umfassen, durch die sich das Gas hindurchbewegen kann, um mit der MEA 4, die unter den Stegen 82 liegt, in Kontakt zu treten, wie in der Technik bekannt ist. Ein derartiges kommerziell erhältliches Diffusionsmedium ist ein Graphitfaserpapier, das von Toray Carbon Fibers America, Inc. hergestellt wird.
Viele der leitenden Diffusionsmediumpapiere oder -gewebe besitzen raue Oberflächen mit sich davon weg erstreckenden Vorsprüngen hauptsächlich aufgrund der Beschaffenheit und Struktur des Materials und des Herstellprozesses. Diese Vorsprünge können auf die PEM 66 auftreffen und eingebettet werden, wenn während der Brennstoffzellenbetriebsabläufe ein Druck ausgeübt wird. Die Vorsprünge 86 der Diffusionslage leitenden Elektrizität und können lang genug sein, um die Membran 66 teilweise oder vollständig zu durchdringen, wodurch potentielle elektrische Defekte in der Brennstoffzelle 2 erzeugt werden. Somit kann ein elektrisch leitender Pfad 88 oder eine Leitung durch die Membran 66 gebildet werden, die einen Kurzschluss erzeugt. Eine Leitung 88 tritt auf entweder, wenn ein Vorsprung 86 vollständig an die entgegengesetzte Seite der PEM hindurch gelangt oder wenn zwei Vorsprünge 90, 92 auf entgegengesetzten Seiten 62, 64 der MEA 4 die PEM 66 teilweise durchdringen und zusammentreffen oder sich in nächster Nähe zueinander befinden.
In der Brennstoffzelle 2 wird die MEA 4 gegen ein Paar Diffusionslagen 34, 36 gepresst, die durch ein Paar elektrisch leitender Platten 14, 16 begrenzt sind. Die elektrisch leitenden Platten 14, 16 umfassen jeweils zumindest ein so genanntes "Strömungsfeld", das die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle (beispielsweise H₂ und O₂/Luft) über die Oberflächen der Anode 62 und Kathode 64 verteilt. Das Strömungsfeld umfasst eine Vielzahl von Stegen 82, die mit dem Primärstromkollektor 34, 36 in Eingriff stehen und dazwischen eine Vielzahl von Strömungskanälen 18, 20 definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden zwischen einem Versorgungsverteiler 42, 44 an einem Ende des Kanals und einem Austragsverteiler 50, 52 an dem anderen Ende des Kanals strömen.
Während der Herstellung und des Zusammenbaus von Brennstoffzellen ist es oftmals vorteilhaft, die MEA 4 und die Diffusionslagen 34, 36 zu einem Punkt in dem Prozess vor einem endgültigen Zusammenbau in der Brennstoffzelle 2 zu analysieren, wo Defekte leicht offensichtlich werden. Die MEA 4 kann auch von einer zusammengebauten Brennstoffzelle 2 zu Zwecken der Fehleranalyse entfernt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung prüft eine MEA 4, die zwischen Diffusionslagen 34, 36 geschichtet ist, vor einem Einbau dieser Komponenten in eine Brennstoffzelle 2. Wie in 5 gezeigt ist, legt ein Energieversorgungsmittel 90 eine Spannung über die MEA 4 an. Ein "Defekt", wie hier verwendet ist, betrifft im Wesentlichen einen Fehler in der Form eines Kurzschlusses durch die PEM 66, bei dem das elektrisch leitende Material teilweise oder vollständig hindurch zu der entgegengesetzten Elektrode durchdringt, wobei ein leitender Pfad hindurch vorgesehen wird. Die PEM 66 sollte sich, wenn sie richtig ohne Fehler oder Defekte arbeitet, als ein Dielektrikum verhalten, das einen nahezu unendlichen Widerstand aufweist. Jeder durch die MEA 4 hindurch gelangende Strom enthüllt elektrische Defekte. Wenn Strom durch die MEA 4 fließt, heizt sich das den Kurzschluss umgebende Material aufgrund seiner Widerstandseigenschaften auf, wodurch eine heiße Stelle erzeugt wird. Die Intensität der Wärme, die an der heißen Stelle erzeugt wird, bestimmt das Ausmaß des Defektes 80. Eine Wärmebildgebungsvorrichtung 92, die Temperaturgradienten bzw. -abstufungen unterscheiden kann, wird über die MEA-Elektrodenseite oder -fläche 30, 32 geführt. Die Wärmebildgebungsvorrichtung 92 überwacht die Intensität und den Ort des Defektes 94, an dem die Wärmeabstrahlungen heraustreten, wodurch Information über die Existenz eines elektrischen Defektes erlangt wird, und ist insbe sondere bei der Kategorisierung des Ausmaßes und des Ortes des Defektes nützlich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Potentialdifferenz oder Spannung über die MEA 4 durch eine Energieversorgungsquelle 90 angelegt, um die dielektrische Kapazität der MEA 4 zu prüfen. Positive und negative Leitungen 96, 98 werden an elektrisch leitenden Elementen angebracht, die an entgegengesetzten Seiten 102, 104 der MEA 4 angeordnet sind. Derartige Elemente können Elektroden 60 umfassen, wobei jedoch leitende Diffusionsmediumlagen 34, 36 bevorzugt sind. Die leitenden Diffusionsmediumlagen 34, 36 erleichtern eine gleichmäßige Ladungsverteilung oder -dichte über die Oberfläche der MEA-Elektrodenseite 30, 32 und minimieren Potentialunterschiede entlang der MEA-Fläche 30, 32. Lokale Unterschiede können zu ungenauen Ergebnissen oder einer unbeabsichtigten Zerstörung der PEM 66 führen. Wenn eine Spannung an die MEA 4 angelegt wird, sollte diese die elektrische Durchschlagspannung der PEM 66 nicht überschreiten, was bedeutet, dass das Material gegenüber elektrischer Ladung bis zu einer bestimmten Schwelle beständig ist. Wenn eine derartige Durchschlagspannung überschritten wird, erleidet das Material einen irreversiblen Schaden und leitet Strom hindurch. Die elektrische Durchschlagspannung variiert abhängig von dem Konstruktionsmaterial der PEM 66 oder der Membran in der MEA 4.
Die theoretische Spannung in einer arbeitenden Brennstoffzelle beträgt 1,23 Volt, die durch die theoretische Energie berechnet wird, die durch die elektrochemische Reaktion zwischen H₂ und O₂ erzeugt wird. Während dieser Betriebsabläufe wird ein elektrisches Nennpotential der Brennstoffzelle erreicht. Jedoch kann es während der Detektion der möglichen elektrischen Defekte vorteilhaft sein, eine größere Spannung anzulegen, um elektrisch leitende Pfade durch die PEM 66 hindurch aufzudecken. Ein bevorzugtes Verfahren zum Anlegen einer Spannung besteht darin, dass eine Energiequelle 90 verwendet wird, die die Spannung allmählich erhöhen kann. Ein beispielhafter Bereich liegt zwischen 0 und etwa 5 Volt, wobei der bevorzugteste Bereich zwischen 0 Volt und etwa 3 Volt liegt. Bei einem typischen Prüfbetriebszustand wird die Spannung erhöht, bis Defekte in einem unterscheidbaren Wärmemuster, das derartigen Defekten entspricht, beobachtet werden.
Elektrische Defekte, die in der PEM 66 in der MEA 4 vorhanden sind, können hinsichtlich der Intensität variieren. Es existiert eine direkte Korrelation zwischen dem Strom, der durch die PEM 66 an dem Ort oder der Position 94 des elektrischen Defektes 80 fließt, und der von der MEA 4 abgestrahlten Wärme. Der elektrisch leitende Pfad (80 oder 88, abhängig von der Quelle des Defektes) liegt im Innern der PEM 66, wo die Wärme erzeugt wird und durch die Elektroden 60 an die Oberfläche der Elektrodenseite der MEA 30, 32 über und unterhalb der Stelle 94 des Defektes 80, 88 abstrahlt. Die Oberflächenposition 94 der Wärmequelle zeigt den Ort des darunter liegenden Defektes 80, 88. Somit zeigt eine Überwachung der Oberfläche der MEA 30, 32 hinsichtlich des Ortes und der Intensität von Wärme Information bezüglich elektrischer Defekte unterhalb der Oberfläche.
Das Sicherstellen der Anwesenheit und des Ausmaßes von Defekten ist hinsichtlich der Qualitätskontrolle während der Herstellung einer Brennstoffzelle wichtig. Einige der Defekte können nur minimal sein und den Betrieb der MEA in einer Brennstoffzellenumgebung nicht beein trächtigen, wodurch einige kleine Defekte keine Konsequenzen für die Brennstoffzellenbetriebsabläufe haben. Andere Defekte können die Verwendung einer gegebenen MEA in einer zusammengebauten Brennstoffzelle ausschließen und werden außer Gebrauch genommen. Somit ist die Fähigkeit, die Anwesenheit und bevorzugt das Ausmaß von Defekten schnell zu bestimmen, bei der Herstellung wichtig. Zusätzlich ist die Identifizierung des Ortes derartiger Defekte bei der Bestimmung des Ursprungs der Defekte äußerst wichtig, so dass sie bei der Herstellung der MEA, an der die leitenden Diffusionsmediumlagen befestigt sind, vorbeugend beseitigt werden können. Dieses Verfahren kann auch dazu verwendet werden, eine Post-Mortem-Analyse einer auseinander gebauten Brennstoffzelle auszuführen, um die Quelle des MEA-Schadens zu identifizieren.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Oberflächenüberwachung, um die Anwesenheit von Defekten, bevorzugt den Ort von Defekten und am bevorzugtesten das Ausmaß von Defekten zu bestimmen, das durch das Intensitätsniveau ausgesagt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Oberfläche der MEA 30, 32 oder der leitenden Diffusionsmediumlage 34, 36 bezüglich der Intensität von Wärmeenergieabstrahlungen mit einer Infrarotstrahlungs-Detektionsvorrichtung 92, bevorzugt einer Thermographievorrichtung überwacht. Die erhitzten Gebiete der MEA-Oberfläche 30, 32 strahlen verschiedene Energiewellen ab, einschließlich infraroter Strahlung. Eine Vorrichtung, die Infrarotstrahlung (IR) 92 detektieren kann, korreliert die Temperatur der Oberfläche mit der Intensität von IR-Abstrahlungen. Eine bevorzugte Infrarotstrahlungs-(IR)-Detektionsvorrichtung 92 registriert sowohl den Ort als auch Intensitätsniveau oder die Intensitätsstärke von IR-Abstrahlungen, die in Temperaturen entlang der Oberfläche des abgetasteten Objektes umgesetzt werden. Die Infrarotstrahlung umfasst Wellenlängen im Bereich von etwa 0,8 × 10^–6 bis 1 × 10^–3 Metern des elektromagnetischen Spektrums. Eine bevorzugte IR-Detektionsvorrichtung 92 ist eine Thermografie-IR-Kamera, die mit einem Softwareprogramm kompatibel ist, das Daten bezüglich Ort und Intensität analysiert. Derartige IR-Kameras 92 sind kommerziell erhältlich, und die Charakteristiken der IR-Vorrichtung variieren über die Hersteller von Ausrüstung.
Eine bevorzugte IR-Thermografiekamera 92 ist die Therm-CAM^® PM 695, die von FLIR Systems^TM hergestellt wird. Das Detektionssystem dieser Vorrichtung überwacht IR-Abstrahlungen von der Oberfläche innerhalb des spektralen Wellenlängenbereiches von 7,5 × 10^–6 bis 13 × 1^0–6 Meter. Diese Kamera misst eine Temperatur im Bereich von etwa –40°C bis etwa 1500°C, wobei der bevorzugteste Detektionsbereich zwischen etwa –40°C und etwa 120°C liegt. Messbetriebsarten umfassen Punkt, Gebiet, Isothermen, Linienprofile und Temperaturgradienten. Die Genauigkeit der Messungen liegt typischerweise bei +/–2°C oder +/–2%.
Verschiedene kommerziell verfügbare Softwareprogramme sind mit Wärme-IR-Kameras 92 kompatibel, um die Datenaufnahme und -analyse zu steigern (beispielsweise ThermaCAM Reporter Software von FLIR Systems^TM). Diese Softwareprogramme verbessern die Information, die von der IR-Kamera 92 erhalten wird, und können beispielsweise eine Temperaturanalyse (beispielsweise Isothermenmessungen, Linienprofile und Gebietshistogramme); statische Bildanalyse für gespeicherte Bilder und Auftragen der Temperatur gegenüber der Zeit (beispielsweise Echtzeittrendbildung und -analyse) ausführen. Die Verwendung derartiger Soft ware beschleunigt eine Bewertung einer Wärme-IR-Abtastung von der IR-Kamera 92. Ferner steigert eine derartige Software eine Mustererkennung für Defektereignisse zusätzlich zu einer weiter entwickelten Analyse von IR-Thermografiebildern.
Wie in 5 gezeigt ist, verwendet ein bevorzugtes Infrarotprüfsystem oder eine bevorzugte Infrarotüberwachungsvorrichtung 110 die IR-Kamera 92, um eine Oberfläche hinsichtlich Wärme-IR-Abstrahlungen abzutasten. Die IR-Kamera 92 ist auf einen Objekttisch 112 fokussiert, der an einer Basis 114 angeordnet ist, und ist an einem einstellbaren Trägerarm 116 mit einer einstellbaren Distanz zwischen dem Objekttisch 112 und der IR-Kamera 92 befestigt. Das abzutastende Objekt kann an dem Objekttisch 112 angeordnet werden, der bevorzugt aus einem leitenden Material hergestellt ist, das eine Ladungsverteilung an den leitenden Abschnitt der MEA 34, 36, 62 oder 64 ermöglicht. Ein isolierendes Konstruktionsmaterial ist für die Basis 114 bevorzugt, um zu verhindern, dass die auf den Objekttisch 112 oder die MEA 4 angelegte Ladung an andere Bereiche der Prüfvorrichtung geleitet wird. Die zu prüfende MEA 4 (oder MEA mit den befestigten leitenden Diffusionslagen 34, 36) wird an dem Objekttisch 112 in dem Abtastgebiet 116 der IR-Kamera 92 angeordnet. Eine Energieversorgungsquelle 90 (beispielsweise eine Batterie oder ein DC-Wandler) mit einer positiven 96 und negativen Leitung 98 ist an leitenden Abschnitten gegenüberliegender Seiten 102, 104 der MEA entweder direkt an den jeweiligen Elektroden 60; durch die befestigte leitende Diffusionslage 34, 36 an entgegengesetzten Seiten der MEA 102, 104; oder durch entweder eine leitende Diffusionslage 34, 36 oder Elektrode 60 auf einer Seite der MEA 102 und die leitenden Basis 114 auf der entgegengesetzten Seite 104 befestigt. Die Energieversorgung 90 wird aktiviert und liefert eine Spannung oder eine Potentialdifferenz über die MEA 4. Die IR-Kamera 92 tastet durch eine Linse 118 zumindest eine Oberfläche der MEA 102, 104 und bevorzugt die Seite ab, die aufwärts in Richtung der IR-Kamera 92 gerichtet ist. Jede Seite der MEA 102, 104 weist elektrische Defekte 80 auf, wenn sie vorhanden sind, so dass die MEA 4 so positioniert werden kann, dass entweder die Seite der Kathode 64 oder der Anode 62 zu der IR-Kamera 92 weist. Das Herstellen einer Potentialdifferenz über die Membran 66 durch die Elektroden 60 erfolgt unabhängig von der jeweiligen Leitungsverbindungsreihenfolge der Elektrodenenergieversorgung, da beide Seiten 62, 64 elektrisch leitend sind und das elektrische Potential über die MEA 4 bilden, um ein Prüfen durchzuführen, solange die Ladungen auf entgegengesetzte Seiten 102, 104 der MEA aufgebracht werden. Wie vorher beschrieben wurde, leiten elektrische Defekte 80 Strom durch den Körper der MEA 4 und erzeugen in lokalen Gebieten oder Orten 94 Wärme.
Die IR-Kamera 92 tastet die Oberfläche der MEA 30, 32 oder der Diffusionsmediumlage 34, 36 hinsichtlich Wärme-IR-Abstrahlungen ab und erzeugt eine Ausgabe, die die IR- oder Temperaturgradienten für das Oberflächengebiet kennzeichnet, was allgemein als ein Thermografiebild bekannt ist. Die IR-Kamera 92 erzeugt Wärmebilder mit einer Wärmeintensität, die entweder in eine Grauskala oder Farbschattierung umgesetzt werden, um ein sichtbares Bild der Wärmeintensitätsänderungen zu erzeugen. Ein Beispiel eines derartigen Bildes ist in 6 gezeigt, bei dem ein Defekt mit großer Größe oder ein Primärdefekt 120 und Defekte mit kleiner Größe oder Sekundärdefekte 122 inmitten im Wesentlichen nicht schadhafter Gebiete 124 der MEA 4 vorhanden sind. Demgemäß ist das Ausmaß oder der Grad der Defekte relativ bestimmbar. Ein derartiges Bild kann mit einer x- und y-Achse beschrieben werden, die der x- und y-Achse der abgetasteten Oberfläche der MEA 30, 32 oder der Diffusionsmediumlage 34, 36 entspricht, wobei die x- und y-Achse des Bildes ein zweidimensionales Gitter bilden. Ein Defekt oder eine heiße Stelle, wie beispielsweise 120 oder 122, besitzt zumindest eine Koordinate mit x- und y-Werten, die den Ort des Defektes definieren. Somit kann ein Primärdefekt 120 oder Sekundärdefekt 122 entlang der abgetasteten Oberfläche entweder durch visuelles Prüfen des Wärmebildes oder durch Analysieren eines Gitters mit x- und y-Koordinaten lokalisiert werden.
Alternativ dazu kann auch ein Wärmeprofil erzeugt werden, das einen dreidimensionalen Ausdruck mit einer x-, y- und z-Achse erzeugt, wobei die x- und y-Achsen der Länge und Breite der abgetasteten Oberfläche der MEA 30, 32 oder der Diffusionsmediumlage 34, 36 entsprechen. Die z-Achse entspricht der Wärmeintensität der abgetasteten Oberfläche, wobei eine heiße Stelle, die durch einen Primär- oder Sekundärdefekt gebildet wird, einen positiven z-Wert hat und somit höher als die umgebenden nicht schadhaften Bereiche 124 ist, die keine Wärme von der Oberfläche ausstrahlen. Somit zeigen die x-, y- und z-Werte von zumindest einer Koordinate in dem Profil den Ort und auch die Intensität entlang der abgetasteten Oberfläche. Ein Wärmeprofil kann mit verschiedenen Computersoftwareprogrammen erzeugt werden, die parametrische dreidimensionale Ausdrucke auf Grundlage von Eingangsvariablen, wie beispielsweise x, y und z erzeugen. Die IR-Kamera 92 umfasst typischerweise eine interne CPU (Central Processing Unit oder Computer), die Daten zur Erzeugung der Ausgabebilder verarbeitet. Ferner transportiert die IR-Kamera 92 optional Ausgabedaten, die die Daten aus der IR-Abtastung des Gebietes detailliert darstellen, und die dann weiter in einer externen Verarbeitungseinheit (d. h. CPU) oder einem Computer bearbeitet werden können. Die Ausgabedaten, die an eine CPU transportiert werden, können durch Softwareprogramme, die oben beschrieben sind, verarbeitet und analysiert werden, um detailliertere Information bezüglich der Wärmebilder vorzusehen. Ferner können Ausgabedaten zur Bestimmung des Ortes heißer Stellen durch Variablen- oder Musteranalyse analysiert werden.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft die Überwachungsvorrichtung 110, die an einen Herstellprozess angepasst ist, eine automatische Beförderung der MEA 4. Bei einem derartigen Szenario kann der Objekttisch 112 an einen automatisierten Zusammenbauprozess angepasst sein, der die MEA 4 an die geeignete Position in dem Abtastbereich 116 unterhalb der IR-Kamera 92 transportiert. Wenn es notwendig ist, kann der MEA-Zusammenbau 4 an einer unabhängigen isolierten Basis 114 angeordnet werden. Eine Spannung wird über die MEA 4 angelegt, indem die Leitungen 96, 98 von einer Energiequelle 90 mit entgegengesetzten Seiten der MEA 102, 104 verbunden werden. Die IR-Abtastung durch eine IR-Kamera 92 liefert ein Bild zur Interpretation, um die Anwesenheit von Defekten 80 in der MEA 40 sicherzustellen. Somit ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung leicht auf einen automatisierten Herstellprozess anpassbar.
Die Überwachungsvorrichtung 110 detektiert die Anwesenheit und/oder das Ausmaß von Defekten, die in der zu prüfenden MEA 4 vorhanden sind. Andere Formen von Wärmeüberwachungsausrüstung und -sensoren sind ebenfalls denkbar und können auswechselbar verwendet werden, um Temperaturänderungen an der Oberfläche der MEA 30, 32 zu bestimmen, wie beispielsweise wärmeempfindliches Papier oder dergleichen. Jedoch haben sich IR-Kameras 92 als die genaueste und zuverlässigste Wärmebildgebungsausstattung erwiesen, die derzeit kommerziell erhältlich ist.
In 7 ist eine andere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, die ein Prüfen der MEA 4 ohne befestigte Diffusionslagen umfasst. Dieses Prüfszenario kann nötig werden, wenn nur die MEA 4 mit Elektroden 60 und PEM 66 bewertet werden sollen. Sollte es notwendig werden, nur die MEA 4 zu prüfen, kann eine stark leitende Oberfläche 130 an jeder Elektrodenseite 30, 32 der MEA 4 angeordnet werden, um eine gleichmäßige Ladungsverteilung oder -dichte über die Elektroden 60 und die MEA 4 zu unterstützen. Eine bevorzugte leitende Oberfläche 130 umfasst eine, die die IR-Abstrahlungen nicht ausschließt, die von der MEA abgestrahlt werden, welche von der IR-Abtastvorrichtung detektiert werden müssen, wie beispielsweise leitende Materialien wie Kohlenstoff- oder Graphitpapier oder Kohlenstoff- oder Graphitgewebe.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 8 gezeigt ist, umfasst ein Prüfen der Intaktheit der MEA 4, wobei leitende Diffusionsmediumlagen 34, 36 daran befestigt sind und zumindest eine der leitenden Diffusionslagen 34, 36 durch eine Festkörperfläche 140 angepresst wird. Bevorzugt ist die Festkörperfläche 140 starr und für IR-Abstrahlungen transparent, so dass die Detektion und Überwachung durch die IR-Kamera 92 nicht beeinträchtigt wird. Gelegentlich treten Probleme mit einer physikalischen Aufspaltung der MEA 4, die an den leitenden Diffusionslagen 34, 36 befestigt ist, während des Prüfens auf, so dass sich eine oder beide der Diffusionslagen 34, 36 von der MEA 4 trennen. Das Ablösen des Gewebes oder Papiers von der MEA 4 entfernt auch die elektrisch leitenden Vorsprünge 86 von der MEA 4, was die elektrischen Defekte 80 beseitigt oder verringert. Jedoch gelangen, wenn die MEA 4 und die Diffusionslagen 34, 36 anschließend in eine Brennstoffzelle 2 eingebaut werden, die elektrisch leitenden Vorsprünge 86 wieder in die MEA 4 und bewirken einen Kurzschluss. Somit ist es bei derartigen Prüfszenarien notwendig, einen Druck auf die MEA 4 und die Diffusionsmediumlagen 34, 36 aufzubringen, um sicherzustellen, dass alle Defekte 80 geprüft werden. Ein bevorzugtes Verfahren zum Aufbringen von Druck auf den Zusammenbau aus MEA 4 und Diffusionsmediumlage 34, 36 erfolgt über einen IR-transparenten Festkörper, der auf einer Seite 142 in die MEA gepresst wird, indem ein Außendruck 144 auf zumindest eine Seite ausgeübt wird. Wie gezeigt ist, ist der Festkörper nur auf einer Seite der MEA und dem Diffusionslagenmedium erforderlich, da der Objekttisch und die Basis darunter angeordnet sind und die Diffusionsmediumlagen umfassen. Alternative Ausgestaltungen umfassen, dass zwei Festkörperplatten 140 an beide Seiten der MEA 102, 104 gepresst werden. Dies stellt lediglich einen Weg zum Ausüben von Druck auf die MEA 4 dar, oder wenn ein Doppelkamerasystem verwendet wird, kann es notwendig werden, einen IR-transparenten Festkörper auf beiden Seiten vorzusehen, um jede Seite der MEA 4 abzutasten. Ein Beispiel eines derartigen transparenten Festkörpers ist Glas mit einer Dicke von etwa 1/2". Eine Vielzahl von Materialien, die für Fachleute verfügbar sind, können verwendet werden, wobei das Material oder Glas in dem Frequenz- bzw. Wellenlängenbereich transparent sein soll, bei dem die Kamera erfasst. Ein typischer Wellenlängenbereich liegt bei 7 mm (Mikron) bis 13 Mikron abhängig von der Kamera. Der bevorzugte Bereich des Drucks, den der Festkör per 140 aushalten muss, liegt in einem Bereich von zwischen 0 und etwa 80 psi. Diese alternative Ausführungsform kann bei allen der vorher beschriebenen Detektionsverfahren verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Defekten elektrischer Natur, die in der MEA 4 auftreten. Insbesondere treten diese Defekte oftmals in der MEA 4 mit daran befestigten leitenden Diffusionslagen 34, 36 auf. Zunächst wird die MEA 4 (oder die MEA 4 mit befestigten Diffusionslagen 34, 36) unter der Wärmebildgebungsabtastvorrichtung 92 angeordnet. Anschließend wird eine Potentialdifferenz oder Spannung über die MEA 4 durch eine Energieversorgungsquelle 90 angelegt. Zumindest eine Oberfläche der MEA 30, 32 wird für ein Wärmebild durch die Wärmebildgebungsabtastvorrichtung 92 abgetastet. Ferner erzeugt die Wärmebildgebungsabtastvorrichtung 92 ein Wärmebild der Oberfläche 30, 32, das Orte 94 wie auch Änderungen der Wärmeintensität zeigt. Die Wärmeintensität der MEA 4 wird bewertet, wobei eine größere Intensität in bestimmten Bereichen im Vergleich zu Umgebungsbereichen entlang der Oberfläche 30, 32 angibt, dass ein elektrischer Defekt 80 in der MEA 4 vorhanden ist. Wenn ein Defekt 80 an der MEA 4 vorhanden ist, wird er isoliert und weiter analysiert. Wenn die MEA 4 defektfrei ist oder das Ausmaß des Defektes zu keinen funktionellen Einschränkungen führt, kann sie in eine Brennstoffzelle 2 eingebaut werden.
Derzeitige Verfahren zum Ausführen einer Qualitätskontrolle umfassen eine Leckdetektion durch physikalische Infiltration von Gasen durch Perforierungen in der Membran einer Polymermembran, wobei diese Verfahren keine Information bezüglich elektrischer Defekte in einer MEA vorsehen. Es besteht ein Bedarf nach einem berührungslosen Verfahren zum Identifizieren der Intensität und/oder des Ortes eines elektrischen Defektes, der in einer MEA in einer Brennstoffzelle auftritt, zur Qualitätssicherung wie auch -kontrolle.
Für Fachleute ist die Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung offensichtlich, die ein einfaches Verfahren zur Bewertung der teuersten und fehleranfälligsten Komponenten der Brennstoffzellen, nämlich der MEA, vorsieht. Elektrische Defekte in der MEA haben sich als ein umfassendes Problem in der Technik erwiesen, und die vorliegende Erfindung sieht ein schnelles, effizientes wie auch berührungsloses Verfahren zum Detektieren derartiger Defekte vor, das leicht auf Einstellungen bei der Serienfertigung wie auch zur Qualitätskontrollanalyse anpassbar ist.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Detektieren von Schäden in einer Membranelektrodenanordnung einer elektrochemischen Brennstoffzelle und insbesondere zur Detektion von Defekten in einer Protonenaustauschmembran in einer Membranelektrodenanordnung, die optional zwischen leitende Diffusionsmediumlagen geschichtet ist, wobei eine Potentialdifferenz über die Membran angelegt und die Anwesenheit eines Defektes und bevorzugt der Ort eines Defektes bestimmt wird, indem Variationen des Intensitätsniveaus von Infrarotstrahlung überwacht werden, die von einer Oberfläche der Membranelektrodenanordnung ausgesendet wird. Eine andere bevorzugte Ausführungsform umfasst, dass die Membranelektrodenanordnung und leitende Diffusionslagen mit zumindest einem starren Festkörper schichtartig angeordnet werden, der für Infrarotstrahlung transparent ist.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Anwesenheit von Defekten in einer Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer Protonenaustauschmembran (PEM) und Elektroden, die an entgegengesetzten Seiten der PEM angeordnet sind, umfassend, dass: eine Potentialdifferenz über die MEA angelegt wird und eine Infrarotstrahlung, die von einer Oberfläche zumindest einer der Elektroden abgestrahlt wird, überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die MEA elektrisch leitende Gasdiffusionsmedien an jeweiligen Seiten der Elektroden umfasst, die von der PEM weg weisen, und die Potentialdifferenz über das Diffusionsmedium angelegt wird und die Infrarotstrahlung an einer Oberfläche zumindest eines der Diffusionsmedien überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die MEA zwischen allgemein planaren Elementen angeordnet ist, von denen zumindest eines für Infrarotstrahlung transparent ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überwachen durch eine Infrarotstrahlungskamera erreicht wird, die thermografische Bilder erzeugen kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überwachen durch Detektieren von Infrarotstrahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 7 μm bis etwa 13 μm durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überwachen durch Detektieren einer Temperatur in einem Bereich von etwa –40°C bis etwa 120°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Potentialdifferenz von einer Energieversorgungsquelle geliefert wird, die einen Bereich von 0 bis etwa 5 Volt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Variationen des Intensitätsniveaus der Infrarotstrahlung, die von der Oberfläche der MEA abgestrahlt wird, Orte von Defekten aufzeigen.
Verfahren zum Detektieren von Defekten in einer Membran, die mit Ausnahme der Anwesenheit von Defekten elektrisch isolierend ist, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Spannung über die Membran durch ein erstes und ein zweites elektrisch leitendes Substrat angelegt wird, die mit einer ersten bzw. einer zweiten Fläche der Membran in Kontakt stehen; Variationen des Intensitätsniveaus von Wärmeenergie, die von der Membran abgestrahlt wird, dadurch detektiert werden, dass Wärmeenergie erfasst wird, die von der Oberfläche des ersten und/oder des zweiten elektrisch leitenden Substrats abgestrahlt wird, wobei die Variationen des Intensitätsniveaus die Anwesenheit von Defekten aufzeigen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Detektieren dadurch durchgeführt wird, dass Infrarotstrahlung, die von der Membran abgestrahlt wird, detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Membran zwischen allgemein planaren Elementen angeordnet ist, von denen zumindest eines für Infrarotstrahlung transparent ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Detektieren durch eine Infrarotstrahlungskamera erreicht wird, die thermografische Bilder erzeugen kann.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Detektieren durch Detektieren einer Temperatur in einem Bereich von etwa –40°C bis etwa 120°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Spannung durch eine Energieversorgungsquelle geliefert wird, die einen Bereich von etwa 0 bis etwa 5 Volt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Variationen des Intensitätsniveaus Orte von Defekten aufzeigen.
Verfahren zum Detektieren und Lokalisieren von Defekten in einer Membran, die mit Ausnahme der Anwesenheit von Defekten elektrisch isolierend ist, wobei die Membran eine erste und zweite Oberfläche aufweist, die mit einer ersten bzw. zweiten Elektrodenlage in Kon takt stehen, wobei eine Membranelektrodenanordnung gebildet wird, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Potentialdifferenz über die erste und zweite Elektrodenlage angelegt wird, wobei die Potentialdifferenz über die Membran in der Abwesenheit eines Defektes beibehalten wird, und wobei die Potentialdifferenz abnimmt, wenn ein Strom zwischen der ersten und zweiten Elektrodenlage in der Anwesenheit eines Defektes fließt, wobei der Stromfluss heiße Stellen an zumindest einer der ersten und zweiten Oberflächen der Membran erzeugt; und der Ort von heißen Stellen entlang einer Oberfläche zumindest einer der ersten und zweiten Elektrodenlage bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei leitende Gasdiffusionsmediumlagen an jeweiligen Seiten der ersten und zweiten Elektrodenlage, die von der Membran weg weisen, angeordnet sind, wobei die Potentialdifferenz über die Diffusionsmediumlagen angelegt wird und die heißen Stellen an einer Oberfläche zumindest einer der Diffusionsmediumlagen bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Bestimmung des Ortes von heißen Stellen entlang der Oberfläche zumindest einer der ersten und zweiten Elektrode durch Erzeugung eines Wärmebildes erreicht wird, mit: einer x- und y-Achse, die ein zweidimensionales Gitter bildet; und wobei ein heißer Punkt zumindest eine Koordinate mit x- und y-Werten in dem Gitter aufweist, und die zumindest eine Koordinate in den Ort des Defektes entlang der Oberfläche umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Bestimmung des Ortes von heißen Stellen entlang der Oberfläche zumindest einer der ersten und zweiten Elektrodenlage durch Erzeugung eines Wärmeprofils erreicht wird, mit: einer dreidimensionalen Aufzeichnung mit einer x-, y- und z-Achse, wobei die x- und y-Achse einer Länge und einer Breite der Oberfläche entsprechen, wobei die z-Achse ein Wärmeintensitätsniveau anzeigt, und wobei der Ort von heißen Punkten zumindest einer Koordinate mit x-, y- und z-Werten in der Aufzeichnung entspricht, wobei der z-Wert eine Wärmeintensität aufweist, und die zumindest eine Koordinate den Ort und eine Intensität des Defektes entlang der Oberfläche aufzeigt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei eine Bestimmung des Ortes heißer Stellen durch eine Musteranalyse der Infrarotabstrahldaten erreicht wird, die durch eine Prozessoreinheit ausgeführt wird.