[發明專利]一種燃料電池電堆泄漏率測試裝置與方法

有效

• 申請號: 201410428104.2
• 申請日: 2014-08-27
• 公開（公告）號: CN104180958B
• 公開（公告）日: 2017-07-04
• 發明（設計）人: 鄔敏忠;呂忠斌
• 申請（專利權）人: 上海韋寧新能源科技發展有限公司
• 主分類號: G01M3/32
• 分類號: G01M3/32
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司31225
• 代理人: 蔣亮珠

技術領域

本發明涉及燃料電池，尤其是涉及一種燃料電池電堆泄漏率測試方法與裝置。

背景技術

由于能源緊張和環境污染等問題日益突出，作為一種能量轉換裝置，質子交換膜燃料電池(PEMFC)因其能量轉換效率高、清潔無污染，兼之工作溫度低、功率密度高等優點，越來越受到各國政府、能源企業和汽車制造廠商的重視，紛紛開發基于PEMFC的移動電源、發電裝置、各種類型的發電站和車用發動機。

PEMFC是一種電化學發電裝置，可以高效、無污染地將貯存在燃料(氫氣)中的化學能，通過與氧氣反應而轉化成電能。它的基本原理如下：在陽極側通入一定壓力的氫氣，在陰極側通入一定壓力的空氣(在比較特殊的條件下，比如航天器或潛艇上，也可以采用純氧)；在陽極側，氫氣經過陽極擴散層的分布后，到達催化劑層，在催化劑的作用下產生電子和質子；電子經過外電路到達陰極，質子經過質子交換膜到達陰極；在陰極，氧氣經過陰極擴散層后到達催化層，并在那里與電子和質子相遇，發生電化學反應生成水并產生電能。在此過程中，為了即時排除電化學反應過程中產生的熱量，還需要將冷卻水(一般為去離子水或其與乙二醇的混合溶液)通入電池內部進行散熱。然而，對于氫氣、空氣與冷卻水這三種流體，它們都存在泄漏到電堆外部(即外漏)或竄入其它流體腔體中(即內漏)去的風險。

在燃料電池正常工作時，其內部的氫氣、空氣與水必須通過在各自的腔體和流道中流動，不能外漏和互竄，否則會使燃料損失、電池性能衰減、發電效率下降，甚至產生安全隱患。防止這三種流體外漏和內漏的部件包括質子交換膜(也即膜電極組件(MEA))、雙極板和密封圈等。然而，在實際的工作過程中，質子交換膜的薄膜特性和彈性體密封件的材料特性所限，流體的絕對不漏和不竄是做不到的，尤其是當PEMFC電堆由數十片乃至數百片單電池串聯構成時。究其原因，這些流體的泄漏主要是由于質子交換膜的孔隙、雙極板(尤其是石墨雙極板)的孔隙以及密封圈的透氣率等材料固有性質以及設計缺陷、加工誤差、組裝誤差等問題造成。

一般地，PEMFC電堆的外漏和互竄包括以下六種情況：氫氣腔外漏、空氣腔外漏、水腔外漏、氫氣/空氣腔互竄、氫氣/水腔互竄、空氣/水腔互竄。其中，后三種情況屬于內漏，一般不具有方向性。比如，氫氣向空氣腔體的泄漏和空氣向氫氣腔體的泄漏是等效的。任何形式的外漏和互竄都是客觀存在的，追求絕對不漏的電堆在工程實踐中是不現實的，也是無意義的。但是，為了避免過多的電池性能和效率下降造成的損失，更為了防止燃燒、爆炸等安全隱患的發生，在電堆出廠前必須對其進行各種泄漏率測試，對外漏和互竄原因進行分析；同時還應制訂相應的測試規范，并對電堆泄漏率的允許限度做出規定。因此，電堆泄漏率的準確測試對于制造廠商和用戶就顯得尤為重要了，因為只有具備完整、可靠、重現性好的測試手段，才有可能形成電堆泄漏率測試的內部規范甚至外部標準。

傳統的電堆氣密性測試方法多在燃料電池系統上進行。

日本專利[JP 231368/2005]提出了一種燃料電池系統的燃料氣體泄漏的判斷方法，通過檢測在燃料電池陽極側封閉空間內的壓力變化，參照規定的氣體泄漏值判斷系統的氫腔是否存在泄漏。為了精確地確定氣體泄漏值，還充分考慮了空氣側滲漏至陽極側的氮氣的影響。

日本專利[JP 194377/2005]中還進一步提出了通過將燃料電池系統分隔出多個連續的封閉空間，然后通過測量空氣或氫氣流動方向上各封閉空間的壓力變化，來判斷各封閉空間中的氣體泄漏量。

中國專利[200880115085.0]中還提出了一種在燃料電池運行過程中判斷其是否存在氫氣的外漏或互竄的方法。其關鍵還是依賴于壓力傳感器顯示的壓力變化，只不過此時還需要扣除由于發電消耗氫氣所引起的氣壓的下降。

上述專利均屬于基于燃料電池系統內部的壓力變化而開發的各種氣體泄漏測試法，這些方法簡便、實用，并且易于實現車載應用。但是，這些方法缺乏電堆本身泄漏率的客觀數據，且將電堆與車載輔助系統聯合測試，不易于區分引起泄漏的主要原因究竟是電堆還是輔助系統。

中國專利[201020515747.8]公布了一種簡易的MEA檢漏裝置。該裝置通過流量計或U型連通器測量膜厚度方向的泄漏率。因此該裝置僅能測試單片MEA的內漏引起的泄漏率，無法對電堆的各種泄漏率進行測試；而且在泄漏率極低時，利用通過流量計或U型連通器測量泄漏率是無法實現的。