一種運用紅外熱像技術的膜電極檢漏裝置的製作方法

2023-05-18 04:30:06

專利名稱：一種運用紅外熱像技術的膜電極檢漏裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種質子交換膜燃料電池膜電極的檢漏裝置，更確切的說，是質子交換膜燃料電池膜電極的質子交換膜因破損導致的漏氣點的檢測裝置。
背景技術：
燃料電池是一種通過與氧氣或是其他氧化劑的化學反應，把燃料的化學能轉化為電能的裝置。而氫氣作為其中最普遍的燃料，只要燃料源源不斷的供應，燃料電池就會不斷產生電。由於燃料電池是直接把化學能轉換成電能，其效率通常遠遠高於傳統的內燃機。並且由於燃料電池的產物主要為水分，理想條件下可以CO2零排放，有利於環境保護。相比
於傳統內燃機，由於其沒有移動部件，燃料電池也非常的安靜。基於燃料電池有上述優點，其廣泛適用於用於電站、電動汽車、鏟車、飛機、船艇、潛水艇、可攜式電源等。質子交換膜燃料電池(PEMFC)，也叫聚電解質燃料電池(PEFC)，是燃料電池中最有希望商業化的ー種。通常，質子交換膜燃料電池中，聚合物電解質為質子交換膜，鉬碳催化劑為電極，碳紙為氣體擴散層，共同構成質子交換膜燃料電池的核心部件——膜電極。在膜電極中，陽極的氫氣，在催化劑的作用下發生氧化，變成氫離子，釋放出電子。電子通過外電路到達陰極，從而產生燃料電池的電流輸出。氫離子穿過質子交換膜，到達陰極，在催化劑的作用下，與到達陰極的電子和氧氣反應生成水。在這個反應中，質子交換膜主要起了傳遞質子和阻隔陰陽極反應氣體的作用。由於膜電極中，催化劑為3nm左右的碳顆粒載鉬，氣體擴散層為200微米的厚的炭紙，都為多孔結構，便於反應氣體的傳輸。故通常所指的膜電極檢漏，主要用於檢測膜電極中質子交換膜的漏氣情況。而質子交換膜燃料電池中，為了減少由於質子傳導引起的歐姆極化損失，理論上質子交換膜需要做得儘可能薄。因此，在エ業生產中，或長期使用後，膜電極漏氣現象時有發生。然而，氣體滲透對燃料電池會有極大的危害。當氫氣或氧氣直接穿過質子交換膜，在催化劑表面接觸，直接發生化學反應而非電化學反應，從而產生大量的熱，不僅造成能源損耗，而且加速膜電極的衰退，對整個膜電極的性能造成影響。當膜電極漏氣過大吋，氫氣濃度達到臨界值時，有可能發生燃燒甚至爆炸。因此，質子交換膜燃料電池膜電極的檢漏就是非常重要的ー個步驟。目前質子交換膜燃料電池膜電極檢漏方法，主要有以下幾種在申請號為[CN201020515747. 8]專利中，一種質子交換膜燃料電池膜電極的檢漏裝置，其特徵是通過檢漏裝置一側的進氣孔通氣加壓，從另一側的出氣孔連接氣體流量計或U型連通器來定量檢測膜電極是否發生了氣體的穿透而產生漏氣。在申請號為[CN200410093105. 2]的專利中，發明提供了ー種燃料電池膜電極的真空檢漏裝置，使膜電極ー側為真空狀態，另外ー側為空氣，若20 30秒內，真空一側壓カ表示數無變化，證明膜電極不漏氣；否則，膜電極漏氣。上述兩個專利裝置可以適用於燃料電池膜電極的檢漏，但是這些裝置並不能準確找出膜電極的漏氣位置，因而也就很難找出漏氣的原因，從而無法快速找到解決問題的辦法。而專利[CN200820300608. 6]是根據膜電極中質子交換膜只導質子不導電子的原理，通過外加電壓，根據電壓表的示數變化判斷質子交換膜是否破損。與之前專利相似，依然只能判斷膜電極是否有缺陷，而不能判斷具體的漏氣位置，也就無法為問題分析提供依據。而在申請號為[CN200810300300. 6]的專利中，發明了ー種燃料電池檢漏的裝置，將裝置置於水中，通入氣體後，若有氣泡從蓋板上密集的某一個孔中排出，可以判斷出這ー點處有缺陷。此裝置部分解決了尋找漏氣部位難的問題。但是，在實際檢漏過程中，需要將整個裝置置於水中，不僅過程繁瑣，對水質有較高要求，而且靈敏度較差。本實用新型公開的檢漏裝置應用現代紅外熱像技術，通過檢測膜電極表面的溫度差異確定膜電極的漏氣位置和漏氣量大小。相比較之前專利所用裝置，不僅簡便、便於操作、可以非接觸式檢測，而且更重要的是能準確定位漏氣部位，和判斷漏氣量的大小，進而可以分析漏氣原因。
實用新型內容本實用新型的目的g在提供一種快捷、準確地檢測質子交換膜燃料電池膜電極漏氣部位和相對漏氣量大小的裝置。本實用新型運用現代紅外熱像技術，通過監測膜電極表面溫度差異，了解膜電極的漏氣情況，從而達到對膜電極漏氣性進行準確評估的目的。實現本實用新型的理論基礎當膜電極的質子交換膜存在缺陷時，氫氣會從質子交換膜缺陷處滲透到膜電極的另ー側與空氣中的氧氣接觸，在催化劑的作用下氫氣與氧氣發生催化燃燒反應放出大量的熱量，使得氫氣與氧氣接觸部位的溫度顯著提高。通過紅外熱像裝置即可捕捉到溫度的差異，從而確定漏氣的準確部位以及相對漏氣量大小。紅外線普遍存於自然界中，任何溫度高於絕對零度(-273. 160C )的物體都會發出紅外線。本實用新型所採用的紅外熱像技術是利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應。簡單的說就是，紅外熱像技術就是將物體發出的不可見紅外能量轉變為可見的熱圖像。熱圖像的不同顔色代表被測物體的不同溫度。紅外熱像裝置的測試範圍可以達到從_20°C 2000°C，溫度解析度在30°C條件下可以達到O. 08。。。催化劑是ー種能提高化學反應速率，控制反應方向，在反應前後本身的化學性質不發生改變的物質。催化燃燒是燃料在催化劑表面進行的完全氧化反應。在催化燃燒反應過程中，反應物在催化劑表面形成低能量的表面自由基，生成振動激發態產物，並以紅外輻射方式釋放出能量。在無催化劑的條件下，氫氣和氧氣在室溫條件下(27°C )條件下，反應非常慢，幾乎不發生反應。在質子交換膜燃料電池膜電極中，由於有Pt/c(碳載鉬)催化劑的存在，氫氣和氧氣會發生催化燃燒反應而以紅外輻射方式釋放出能量。所釋放的能量由紅外熱像裝置捕捉，顯示在其紅外探測器的光敏元件上，形成紅外熱像圖。通過對紅外熱像圖的簡單觀察分析即可確定膜電極是否漏氣、漏氣點的位置，以及漏氣量的大小。實現本實用新型的技術方案本實用新型的一種運用紅外熱像技術的膜電極檢漏裝置(參見附圖1、2)，它包括氫氣源裝置I、壓カ調節裝置2、夾具裝置4和紅外熱像裝置12 ;所述的夾具裝置4包括上夾板5、上密封材料6-1、膜電極11、下密封材料6-2和底板7，所述的上夾板5中部有孔為鏤空形，底板7具有和上夾板5鏤空形狀及其面積一致的凹槽，底板7 —側有與凹槽相聯通的進氣孔8,所述的上夾板5、上密封材料6-1、膜電極11、下密封材料6-2、底板7依次相疊置，其四周通過螺栓9和螺母10固定成一體；氫氣源裝置I的出口、壓カ調節裝置2的進出ロ、和夾具裝置4的進氣孔8依次通過管道3連接，紅外熱像裝置12位於夾具裝置4正上方。本實用新型的裝置中，所述的氫氣源裝置是氫氣瓶、氫氣罐或氫氣袋。本實用新型的裝置中，所述的壓カ調節裝置的表壓示數壓強為O 5MPa，優選為O O. 5MPa,更好為 O O. 15MPa。本實用新型的裝置中，所述的管道是金屬管、塑料管或橡膠管。本實用新型的裝置中，所述的上夾板的長寬比從I 10，優選長寬比為2，厚度從O. 5cm 2cm，優選厚度為O. 8cm，所述的上夾板鏤空結構的長寬比與外邊框的長寬比保持 —致。本實用新型的裝置中，所述的上密封材料和下密封材料內框鏤空，形狀及其尺寸與所述的上夾板5內框的完全一致,厚度為O. I Imm,優選厚度為O. 3mm ;上密封材料和下密封材料的邊框的寬為O. 5cm 2cm,優選寬為1cm。本實用新型的裝置中，所述的膜電極11中間區域為活性區域，與上夾板5鏤空形狀及其尺寸完全一致。本實用新型的裝置中，所述的底板7的高度為I 5cm，優選高度為2cm，底板7凹槽的高度為其底板高度的10 % 90 %，優選為其底板高度的60 %。本實用新型的裝置中，所述的所述的進氣孔8在底板7水平方向ー測，底板7的凹槽的形狀及其尺寸與上夾板5的內框的完全一致，底板7外框與上夾板5的外框形狀與尺
寸完全一致利用本實用新型裝置對膜電極檢漏的方法，通過氫氣源裝置提供氫氣源，使在夾具裝置中的膜電極的ー側與氫氣接觸，所述的膜電極的另ー側與大氣或氧氣相接觸，通過紅外熱像裝置監測所述的膜電極活性區域的溫度分布，從而判斷所述的膜電極是否漏氣、漏氣的準確部位以及相對漏氣量大小。

附圖I為本實用新型的一種運用紅外熱像技術的膜電極檢漏系統示意圖附圖2為本實用新型的一種運用紅外熱像技術的膜電極檢漏夾具裝置結構示意圖附圖3為本實用新型的一種運用紅外熱像技術的膜電極檢漏夾具裝置示意圖附圖4為膜電極不漏氣的紅外熱像圖附圖5為膜電極存在小漏氣點的紅外熱像圖附圖6為膜電極存在較大漏氣點的紅外熱像圖
具體實施方式
下面結合實施例闡明本實用新型的內容。對於本領域的技術人員來說，不難看出本實用新型具有許多改進和替代形式，只要它們不背離本實用新型的範圍和原理，應當理解，本實用新型不受下列示例性實施方式的限制。本實用新型的一種運用紅外熱像技術的膜電極檢漏裝置如圖I所示，該裝置由氫氣源裝置I、壓カ調節裝置2、夾具裝置4、紅外熱像裝置12構成。氫氣源裝置I與壓カ調節裝置2通過管道3連接，壓カ調節裝置2與夾具裝置4通過管道3連接。紅外熱像裝置12位於夾具裝置4上方。氫氣源裝置I可以是氫氣瓶，也可以是氫氣罐，還可以是氫氣袋。壓カ調節裝置2通過管道3與氫氣源裝置I連接，壓カ調節裝置2的表壓示數壓強為O 5MPa，優選O O. 5MPa,更優選O O. 15MPa。管道3主要起連接相關部件的功能，可以是金屬管，也可以是塑料管，還可以是橡
膠管。 本實用新型的夾具裝置4如圖2所示，由上夾板5、上密封材料6-1、膜電極11、下密封材料6-2和底板7依次相疊，上夾板5位於最上方，中間具有孔結構，四個角為圓孔，用螺栓9和螺母10固定，底板7水平ー側面接有進氣孔8。夾具裝置4中，膜電極11位於上密封材料6-1和下密封材料6-2之間，用於確保垂直於膜電極11方向的氣密性。其中，上下密封材料厚度為O. I 1mm，上下密封材料內框鏤空,形狀及其尺寸與上夾板5內框的完全一致。上下密封材料的邊框的寬為O. 5cm 2cm，。夾具裝置4中，膜電極11中間區域為活性區域，與上夾板5鏤空形狀及其尺寸完
全一致。夾具裝置4中，底板7位於夾具裝置4底部,具有和上夾板5鏤空形狀及其面積一致的凹槽，用於臨時儲存氫氣，使氫氣與膜電極11 ー側充分接觸。底板7的高度為I 5cm，底板7凹槽的高度為底板7高度的10% 90%，優選60%。夾具裝置4中，進氣孔8在底板7水平方向ー側，進氣孔8與底板7的凹槽相聯通。使從進氣孔8進入的氫氣順利進入底板7，與凹槽上方的膜電極11 ー側充分接觸。底板7的凹槽的形狀及其尺寸與上夾板5的內框的完全一致。底板7外框與上夾板5的外框形狀
與尺寸完全一致。夾具裝置4中，將上述整個夾具裝置4用螺栓9和螺母10用於將上述夾具裝置4固定起來，如圖3所示效果。可用四個夾子替代螺栓9和螺母10固定整個夾具裝置4的作用，四個夾子分別位於夾具裝置4的長寬四個邊。紅外熱像裝置12置於夾具裝置4上方，用於監測膜電極11活性區域的溫度。實施例I使用如圖I及圖2所示的檢漏裝置。用管道3連接氫氣源裝置I、壓カ調節裝置2、夾具裝置4，放置紅外熱像裝置12至夾具裝置4上方。為進行對比，在壓カ調節裝置2與夾具裝置4之間的導管上連接ー個氣體流量計。所使用氣體流量計為北京七星華創D08-1F型流量顯示儀，所使用的紅外熱像裝置12為美國福祿克公司Fluke TilO熱像儀。待檢膜電極為7層結構,活性面積為120mmX 100mm,質子交換膜為美國Dupont公司 Nafion XL 膜。將待檢的膜電極放入夾具裝置4並裝配好。氫氣源裝置I為壓カ為15MPa的氫氣儲氣瓶，壓カ調節裝置2為氫氣減壓閥，管道3為內徑為6_的聚酯型導氣管。[0046]打開氫氣瓶閥門並調節氫氣減壓閥至出口氣體為O. 03MPa,使氫氣進入夾具裝置4。3分鐘後，觀察紅外熱像裝置12。紅外熱像裝置所顯示的圖像如圖4所示。圖4中，整個膜電極11活性區域的溫度分布在33°C 34°C範圍內，無明顯顏色異常區域，因此可以判斷該膜電極不存在漏氣的情況。觀察氣體流量計,流量計表示的氣體流量小於O. lml/min,也同樣說明氫氣無洩露，膜電極不漏氣。實施例2 使用如圖I及圖2所示的檢漏裝置。用管道3連接氫氣源裝置I、壓カ調節裝置2、夾具裝置4，放置紅外熱像裝置12至夾具裝置4上方。為進行對比，在壓カ調節裝置2與夾具裝置4之間的導管上連接ー個氣體流量計。所使用氣體流量計為北京七星華創D08-1F型流量顯示儀，所使用的紅外熱像裝置12為美國福祿克公司Fluke TilO熱像儀。 待檢膜電極為7層結構,活性面積為120mmX 100mm,質子交換膜為美國Dupont公司 Nafion XL 膜。將待檢的膜電極放入夾具裝置4並裝配好。氫氣源裝置I為壓カ為15MPa的氫氣儲氣瓶，壓カ調節裝置2為氫氣減壓閥，管道3為內徑為6_的聚酯型導氣管。打開氫氣瓶閥門並調節氫氣減壓閥至出口氣體為O. 03MPa,使氫氣進入夾具裝置4。3分鐘後，觀察紅外熱像裝置12。紅外熱像裝置所顯示的圖像如圖5所示。圖5中，膜電極11正中偏右部位溫度為36°C 37°C，而膜電極11其它活性區域的溫度在32°C 33°C，因此可以判斷該膜電極存在漏氣的情況，且膜電極11正中偏右部位該點即為漏氣點。觀察氣體流量計,流量計表示的氣體流量為I. lml/min,證明膜電極存在漏氣點。實施例3 使用如圖I及圖2所示的檢漏裝置。用管道3連接氫氣源裝置I、壓カ調節裝置
2、夾具裝置4，放置紅外熱像裝置12至夾具裝置4上方。為進行對比，在壓カ調節裝置2與夾具裝置4之間的導管上連接ー個氣體流量計。所使用氣體流量計為北京七星華創D08-1F型流量顯示儀，所使用的紅外熱像裝置12為美國福祿克公司Fluke TilO熱像儀。待檢膜電極為7層結構,活性面積為120mmX 100mm,質子交換膜為美國Dupont公司 Nafion XL 膜。將待檢的膜電極放入夾具裝置4並裝配好。氫氣源裝置I為壓カ為15MPa的氫氣儲氣瓶，壓カ調節裝置2為氫氣減壓閥，管道3為內徑為6_的聚酯型導氣管。打開氫氣瓶閥門並調節氫氣減壓閥至出口氣體為O. 03MPa,使氫氣進入夾具裝置4。3分鐘後，觀察紅外熱像裝置12。紅外熱像裝置所顯示的圖像如圖6所示。圖6中，膜電極中心區域溫度超過150°C，而膜電極11其它活性區域的溫度在32 40°C，因此可以判斷該膜電極存在漏氣的情況，漏氣點處於膜電極中心區域，且漏氣量較大。觀察氣體流量計,流量計表示的氣體流量為130ml/min,證明膜電極存在漏氣點，且漏氣量較大。
權利要求1.一種運用紅外熱像技術的膜電極檢漏裝置，其特徵在於該裝置包括氫氣源裝置(I)、壓力調節裝置(2)、夾具裝置(4)和紅外熱像裝置(12);所述的夾具裝置(4)包括上夾板(5)、上密封材料(6-1)、膜電極(11)、下密封材料(6-2)和底板(7),所述的上夾板(5)中部有孔為鏤空形，底板(7)具有和上夾板(5)鏤空形狀及其面積一致的凹槽，底板(7) —側有與凹槽相聯通的進氣孔(8)，所述的上夾板(5)、上密封材料￠-1)、膜電極(11)、下密封材料(6-2)、底板(7)依次相疊置，其四周通過螺栓(9)和螺母(10固定成一體；氫氣源裝置(I)的出口、壓力調節裝置(2)的進出口、和夾具裝置(4)的進氣孔(8)依序通過管道(3)連接，紅外熱像裝置(12)位於夾具裝置(4)正上方。
2.如權利要求I所述的運用紅外熱像技術的膜電極檢漏裝置，其特徵在於氫氣源裝置(I)是氫氣瓶、氫氣罐或氫氣袋。
3.如權利要求I所述的運用紅外熱像技術的膜電極檢漏裝置，其特徵在於壓力調節裝置(2)的表壓示數壓強為0 0. 5MPa。
4.如權利要求I所述的運用紅外熱像技術的膜電極檢漏裝置，其特徵在於管道(3)是金屬管、塑料管或橡膠管。
5.如權利要求I所述的運用紅外熱像技術的膜電極檢漏裝置，其特徵在於上夾板(5)的長寬比從I 10，上夾板(5)厚度從0. 5cm 2cm，上夾板(5)鏤空結構的長寬比與外邊框的長寬比保持一致。
6.如權利要求I所述的運用紅外熱像技術的膜電極檢漏裝置，其特徵在於上密封材料(6-1)和下密封材料￠-2)內框鏤空，形狀及其尺寸與上夾板(5)內框的完全一致，厚度為0. I Imm ;上密封材料(6-1)和下密封材料(6-2)的邊框的寬為0. 5cm 2cm。
7.如權利要求I所述的運用紅外熱像技術的膜電極檢漏裝置，其特徵在於膜電極(II)中間區域為活性區域，與上夾板(5)鏤空形狀及其尺寸完全一致。
8.如權利要求I所述的運用紅外熱像技術的膜電極檢漏裝置，其特徵在於底板(7)的高度為I 5cm，底板(7)凹槽的高度為其底板高度的10% 90%。
9.如權利要求I所述的運用紅外熱像技術的膜電極檢漏裝置，其特徵在於底板(7)的高度為2cm，底板(7)凹槽的高度為其底板高度的60%。
10.如權利要求I所述的運用紅外熱像技術的膜電極檢漏裝置，其特徵在於所述的進氣孔(8)在底板(7)水平方向一側，底板(7)的凹槽的形狀及其尺寸與上夾板(5)的內框的完全一致，底板(7)外框與上夾板(5)的外框形狀與尺寸完全一致。
專利摘要一種運用紅外熱像技術的膜電極檢漏裝置。它包括氫氣源、壓力調節、夾具和紅外熱像等裝置；其夾具裝置包括上夾板、上密封材料、膜電極、下密封材料和底板，其上夾板中部為鏤空形，底板具有和上夾板鏤空形狀及其面積一致的凹槽，底板一側有與凹槽相聯通的進氣孔，其上夾板、上密封材料、膜電極、下密封材料、底板依次疊置，四周螺栓固定；氫氣源的出口、壓力調節裝置的進出口和夾具裝置的進氣孔依序管道連接，紅外熱像裝置位於夾具裝置正上方。用本裝置對膜電極檢漏方法，氫氣源供氫，使夾具裝置中膜電極一側與氫氣接觸，膜電極另一側與大氣或氧氣相接觸，通過紅外熱像裝置監測膜電極活性區域溫度分布，從而判斷膜電極是否漏氣、漏氣部位以及氣量。
文檔編號G01M3/00GK202471354SQ20122002625
公開日2012年10月3日 申請日期2012年1月19日 優先權日2012年1月19日
發明者唐建均, 宛朝輝, 廖鑫, 梁聰, 潘牧, 胡阿勇, 艾勇誠, 陳磊 申請人:武漢理工新能源有限公司