质子交换膜燃料电池电堆中透水双极板漏气检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池漏气检测方法，尤其适用于质子交换膜燃料电池电堆中透水双极板漏气检测的方法。
【背景技术】
[0002]质子交换膜燃料电池是一种通过膜电极上的电催化反应将燃料与氧化剂中的化学能直接高效地转化为电能的发电装置。双极板是质子交换膜燃料电池电堆中的重要组件，具有流体分配、导电、冷却、分隔燃料和氧化剂等功能。常见的双极板(传统双极板)共有三腔:燃料腔、氧化剂腔、冷却剂腔，三腔之间保持分隔，流体在三腔中互不流通，膜电极组件(MEA)的电化学生成水进入氧化剂腔中后，直接被气流或在重力作用下被带出电池。
[0003]近年来出现了一种新型透水双极板(CN 1179428C, CN 101501909A)，其燃料腔与氧化剂腔保持隔绝，但氧化剂腔与冷却剂腔间存在透水板(或称为“多孔性水传输板”)。这种透水双极板除具有上述传统双极板功能外，还具有透水阻气功能。所谓的透水阻气是指燃料电池运行过程中，氧化剂腔内的生成水能够借助于氧化剂腔和冷却剂腔之间的压力差直接透过双极板的透水板进入冷却剂腔，然后随着冷却剂排出电池，但氧化剂腔中的气体却不会透过透水板进入冷却剂腔。透水双极板这种独特的透水阻气功能极大减轻了氧化剂腔内气体的流速要求，提高了电池的水管理能力，并且保证了氧化剂的高利用率。
[0004]然而，透水双极板燃料电池在运行过程中，需要保持透水板前后两腔(氧化剂腔与冷却剂腔)的压力差在一定范围内，若操作条件控制不当一旦超出这个范围，透水板便出现漏气，失去原有阻气功能；另外，若透水板损坏、或密封出现问题，也会使得透水板漏气。这时需要查找出丧失阻气功能的双极板，以便对其进行处理。通常的做法是将电池完全拆解，对每一片双极板进行单独测漏，直至查出故障双极板。这种方法费时费力，而且在电池拆解过程中，不可避免触碰其它部件，如MEA、胶线等，有可能导致这些部件损坏。
【发明内容】
[0005]本发明旨在克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种针对多节透水板质子交换膜燃料电池电堆中丧失阻气功能的透水双极板的检测方法，用以在燃料电池电堆组装完成后，无需对电堆进行完全拆卸的情况下，迅速查找出丧失阻气功能的双极板，详细方法如下:
[0006](I)保证初始状态时电堆中各节单池均无电压值或电压值均明显低于开路水平(如使用对燃料腔和氧化剂腔通入氮气吹扫、或放电等手段)。
[0007](2)将待测电池燃料腔、氧化剂腔分别通入一定压力的燃料(如氢气)和惰性气体(如氮气)，通入惰性气体目的为防止外部空气进入氧化剂腔，干扰测试结果。
[0008](3)将待测电池冷却剂腔通入一定压力的氧化剂(如空气)一段时间。
[0009](4)观察并记录电池中各节单池电压值出现时间或达到正常开路的时间:对于发生漏气的透水板，空气进入冷却剂腔后迅速漏至氧化剂腔，与氧化剂腔内催化剂发生电化学反应，导致此节电池开路电路迅速上升；对于不漏气的透水板，尽管空气不能够由冷却剂腔直接进入氧化剂腔，但由于各单池氧化剂腔呈连通状态，故漏气透水板氧化剂腔内的空气也会逐渐扩散至正常透水板氧化剂腔，导致其对应开路电压也逐渐上升，但开始上升及达到开路电压所用时间均低于漏气透水板所对应电池。因此，通过检测各电池电压开始上升的起始时间和达到开路电压时间，便可确定丧失阻气功能双极板的具体位置。
[0010]本发明所述丧失阻气功能的透水双极板的检测方法中，需通入具有一定压力的燃料、惰性气体及氧化剂。所述一定压力，是指燃料、惰性气体压力尽可能保持一致，防止电池MEA因两侧压力差过大而损坏；同时应保证惰性气体、氧化剂间压力差(绝对值)不高于透水板所能承受的最大压差，超过此最大压差，正常透水板也将发生漏气现象，严重时极板会因压差过大而彻底损坏。
[0011]本发明的优点:应用本发明对多节透水板燃料电池电堆中的漏气双极板进行检测，可以在无需对电堆进行完全拆卸的条件下，迅速查找出丧失阻气功能的双极板，以便对其进行处理，保证氧化剂或燃料的高利用率，同时避免对电堆进行完全拆卸及拆卸过程中对其他组件造成不必要的影响，提高工作效率。
【附图说明】
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[0012]图1实施例中冷却剂腔通入空气5s时电堆电压分布情况；
[0013]图2实施例中冷却剂腔通入空气20s时电堆电压分布情况。
【具体实施方式】
[0014]为使熟悉该项技艺人士了解本发明的目的、特征及功效，由下述具体实施例，对本发明详加说明。
[0015]实施例:
[0016]本实施例中透水双极板质子交换膜燃料电池电堆，由6节单池串联而成，其氧化剂腔生成水需通过透水板导入冷却剂腔中。此透水板耐压1.0bar，即当氧化剂腔与冷却剂腔间的流体压力差高于1.0bar时透水板丧失阻气功能。正常情况下，透水板氧化剂腔与水腔气压差在1.0bar范围内时，氧化剂不会漏入水腔，但现在存在明显的漏气现象，需要确定是哪块双极板漏气，进而采取相应的修理策略。
[0017]针对以上情况，应用如下检测方法:
[0018]将待检测的电堆各节单池电压巡检线路接好，此时电堆中各节单池均无电压值；向电堆氧化剂腔中通入0.5bar的氮气，同时向燃料剂腔中通入0.5bar的氢气；然后向冷却剂腔中通入0.5bar的空气，观察电堆中各节单池的电压值变化。图1、图2分别为通入空气5s,20s后各节单池电压分布情况。从图1可以看到，通入空气5s时，第5节单池电压值达到0.75V，其它节暂无电压，说明此节单池所用的氧化剂腔侧双极板存在漏气；从图2可看至IJ，随着空气的继续通入，第5节电压继续升高，20s时达到0.9IV，基本达到开路电压水平，与此同时第4、6节均出现电压，电压值分别为0.22V、0.15V，这并不是由于第4、6节所用透水板漏气，而是由于第5节氧化剂腔空气逐渐扩散至第4、6节氧化剂腔所致，因为第4、6节电压出现时间明显晚于第5节。因此根据以上结果可知:第5节电池所用的氧化剂腔侧双极板即为丧失了阻气功能的双极板。
[0019]若需再次进行确认，可停止向冷却剂腔通入空气，在保持氧化剂腔通入氮气情况下，利用电阻器使电池放电，直至各单池开路电压恢降至OV (或彡0.6V)，然后重复上述检测过程即可。
【主权项】
1.质子交换膜燃料电池电堆中透水双极板漏气检测方法，其特征在于:具体检测步骤如下: 在保证电池中各节单池均无电压或明显低于开路电压水平(< 0.6V)的情况下，将待测电池燃料腔、氧化剂腔分别通入燃料和惰性气体；然后将待测电池冷却剂腔通入氧化剂；观察并记录电池中各节单池电压值出现时间或达到正常开路的时间:对于发生漏气的透水板，空气进入冷却剂腔后迅速漏至氧化剂腔，与氧化剂腔内催化剂发生电化学反应，导致此节电池开路电路迅速上升；最先出现电压或达到正常开路的电池所用氧化剂腔侧的双极板即为丧失阻气功能的双极板。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆中透水双极板漏气检测方法，其特征在于:所用的燃料为含氢气体。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池电堆中透水双极板漏气检测方法，其特征在于:所述含氢气体包括纯氢、普氢。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆中透水双极板漏气检测方法，其特征在于:所述惰性气体指不与燃料电池催化剂发生电化学反应的气体。
5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池电堆中透水双极板漏气检测方法，其特征在于:所述惰性气体包括氮气、氩气、氦气。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆中透水双极板漏气检测方法，其特征在于:所述氧化剂为含氧气体。
7.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池电堆中透水双极板漏气检测方法，其特征在于:所述氧化剂包括纯氧、空气。
8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆中透水双极板漏气检测方法，其特征在于:检测过程中，需通入燃料、惰性气体、氧化剂，所述通入燃料、惰性气体、氧化剂具有一定压力，一定压力是指燃料、惰性气体压力尽可能保持一致；同时应保证惰性气体、氧化剂间压力差(绝对值)不高于透水板正常情况下所能承受的最大压差。
【专利摘要】质子交换膜燃料电池电堆中的透水双极板具有透水、阻气功能，可在排出燃料电池生成水的同时，保证氧化剂腔气体不窜入水腔；然而在燃料电池运行过程中，若操作条件控制不当或双极板出现损坏、密封失效等故障时，透水双极板可能会出现漏气现象，即丧失原有阻气功能。本发明涉及一种针对多节透水板燃料电池电堆中丧失阻气功能的透水双极板的检测方法，在无需对电堆进行完全拆卸的条件下，迅速查找出丧失阻气功能的双极板以便对其进行处理，保证氧化剂气体的高利用率，同时避免了对电堆进行完全拆卸及拆卸过程中对其他组件造成不必要的影响，提高工作效率。
【IPC分类】G01M3-40
【公开号】CN104713689
【申请号】CN201310691208
【发明人】邵志刚, 耿江涛, 洪有陆, 陈中岩, 侯明, 衣宝廉
【申请人】中国科学院大连化学物理研究所
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2013年12月13日