一种燃料电池质子交换膜氢气渗透率检测系统及方法与流程

1.本发明涉及燃料电池测量装置技术领域，特别涉及一种燃料电池质子交换膜氢气渗透率检测系统及方法。


背景技术：

2.燃料电池是将氢气的化学能直接转化为电能的装置，具有效率高、低噪音、零污染的优点。燃料电池通常需要将多个单体电池通过串联的方式组装成电堆，主要构成部件有双极板、膜电极(mea)、端板和紧固件等。其中质子交换膜(pem)是模电极(mea)的主要组成部件。质子交换膜的性能表现极大地影响着燃料电池的整体性能，而评判质子交换膜性能的一个重要标准就是质子交换膜的氢气渗透率。
3.在燃料电池电堆的使用过程中，燃料电池电堆的阳极通入氢气，阴极通入氧气，氢气在阳极端失去电子成为氢离子。氢离子穿过质子交换膜与阴极端的氧气发生氧化反应生成水。但是在实际的使用过程中，由于压力、质子交换膜自身材质、质量、机械损伤以及质子交换膜老化等多方面因素的影响，燃料电池的阳极端不仅会有氢离子传输到阴极端，还会有氢气分子穿过质子交换膜传输到燃料电池阴极端。传输到燃料电池阴极端的氢气会与氧气反应高度放热，使质子交换膜形成烧穿的微孔，让质子交换膜受到不可逆的损伤。严重的情况下，质子交换膜会完全失效，影响到燃料电池的安全运行。所以，检测质子交换膜的氢气渗透率不仅仅是评判质子交换膜性能的需要，更是燃料电池安全运行的重要保障。
4.目前检测质子交换膜的氢气渗透率的方法一般采用线性电位扫描，这种方法需要在质子交换膜上制备膜电极，属于间接测量，这种方法操作复杂，成本高耗时长。本发明为直接测量，成本低，耗时短，操作简便。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种燃料电池质子交换膜氢气渗透率检测系统及方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
6.为解决上述技术问题所采用的技术方案：
7.首先本发明提供一种燃料电池质子交换膜氢气渗透率检测系统，其包括：密封检测装置、外接电源、惰性气供应装置和氢气供应装置，密封检测装置内部设置有检测腔，所述检测腔通过间隔设置的膜电极和被检测质子交换膜分隔为三个区域，三个区域均连接有排空阀，三个区域分别为与被检测质子交换膜紧贴的氢气流通区域、位于膜电极和被检测质子交换膜之间的氢气渗透区域、与膜电极紧贴的排空区域；膜电极两侧分别与外接电源的负极和正极相接，外接电源与膜电极组成的电路回路中设有电流计；惰性气供应装置同时与三个区域相连；氢气供应装置与所述氢气流通区域相连。
8.本燃料电池质子交换膜氢气渗透率检测系统的有益效果是：在使用时，通过惰性气供应装置提供的惰性气体给氢气流通区域、氢气渗透区域和排空区域进行吹扫，此时的排空阀均打开，以排出各个区域的空气，提高检测的准确性，之后关闭氢气流通区域的排空
阀，氢气供应装置给氢气流通区域供应氢气，并控制氢气流通区域内的氢气的检测压强，外接电源给膜电极供电，并调节至设定的检测电压，此时的氢气流通区域内的氢气分子穿过被检测质子交换膜进入氢气渗透区域，渗透的氢气在膜电极中被氧化为氢离子并产生电流，通过电流计读取膜电极外接电路上电流的数值，从而可计算出被检测质子交换膜的氢气渗透率，本发明通过直接测量外接电回路的电流并通过计算得出被检测质子交换膜的氢气渗透率，成本低，耗时短，操作简便，使得燃料电池质子交换膜氢气渗透率的检测手段变得更加简便快捷。
9.其中为了提高检测的准确性，在检测时，惰性气供应装置给排空区域提供适量的惰性气体，排空区域的排空阀打开，这样排空区域内部的惰性气体是流动的，并且与外界连通，而排空区域内的气压高于大气压，外界的空气不会进到排空区域内，同时这样可使得氢气流通区域、氢气渗透区域与排空区域形成对流，使得氢气可进入氢气渗透区域中。
10.作为上述技术方案的进一步改进，所述惰性气供应装置包括惰性气罐，所述惰性气罐通过管道与三个区域连接，每个所述区域的惰性气进口处安装有开关阀。
11.本方案通过惰性气罐来给各个区域供应惰性气体，每个区域均配置有调节惰性气体流量及通断的开关阀，在吹扫系统管路时，开关阀均打开，根据不同的需求打开或者关闭对应的开关阀，灵活地对各个流道进行调节。
12.作为上述技术方案的进一步改进，所述惰性气罐的出口处有惰性气调压阀。惰性气调压阀主要用于对供应的惰性气体的气压和流量进行调节。
13.作为上述技术方案的进一步改进，所述氢气流通区域连接有压力计。压力计用于检测氢气流通区域内的气压。
14.作为上述技术方案的进一步改进，所述氢气流通区域的排空阀前端设有背压阀。背压阀用于调控氢气流通区域中的压力。
15.作为上述技术方案的进一步改进，所述氢气供应装置包括储氢罐，所述储氢罐通过氢气开关阀与氢气流通区域连接。本方案采用储氢罐给氢气流通区域进行氢气的供给，并且还配设有氢气开关阀来控制氢气供应的通断。
16.作为上述技术方案的进一步改进，所述被检测质子交换膜通过可拆安装结构安装于检测腔内。
17.本方案通过可拆安装结构来安装固定被检测质子交换膜，操作起来更加方便，可对不同的质子交换膜进行快速的检测。
18.作为上述技术方案的进一步改进，所述可拆安装结构包括安装于检测腔内的两个夹具，两个夹具夹持被检测质子交换膜的两侧。
19.本方案通过两个夹具来固定住被检测质子交换膜并且保证质子交换膜安装处的密封性。
20.作为上述技术方案的进一步改进，所述惰性气供应装置用于供应氮气。
21.本方案的惰性气体采用氮气，成本低。
22.此外本发明还提供一种燃料电池质子交换膜氢气渗透率检测方法，其采用上述的检测系统，检测方法的具体步骤如下：
23.s1、将全新的被检测质子交换膜固定于密封检测装置内，并将密封检测装置密封；
24.s2、打开所有排空阀，惰性气供应装置给整个系统进行惰性气吹扫，使整个系统充
满惰性气；
25.s3、停止对氢气渗透区域、氢气流通区域的惰性气供应，以及关闭氢气渗透区域、氢气流通区域的排空阀；
26.s4、氢气供应装置给氢气流通区域供氢气，将氢气流通区域内压强调至设定值；
27.s5、调节好所述排空区域惰性气流通量；
28.s6、接通外接电源，并逐步加大外接电源的电压，当电流量不再增加并且稳定时，记录电流计的电流值；
29.s7、通过检测的电流值算出被检测质子交换膜(300)在设定压强下的氢气渗透率。
30.本发明的有益效果：实际工作时，通过对开关阀以及压力控制阀的调节，控制密封检测装置内三个区域氮气和氢气的流通情况，通过电流计读取膜电极外接电路上电流的数值从而计算出被检测质子交换膜的氢气渗透率。
附图说明
31.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；
32.图1是本发明所提供的燃料电池质子交换膜氢气渗透率检测系统，其一实施例的示意图。
具体实施方式
33.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
36.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
37.参照图1，本发明的燃料电池质子交换膜氢气渗透率检测系统作出如下实施例：
38.本实施例的燃料电池质子交换膜氢气渗透率检测系统包括有密封检测装置100、外接检测电回路、惰性气供应装置和氢气供应装置。
39.其中密封检测装置100为容器结构，在密封检测装置100的内部设有检测腔，在检测腔内间隔设置有膜电极200、被检测质子交换膜300，其中膜电极200固定安装于检测腔内部的上侧，而被检测质子交换膜300安装于检测腔内部的下侧。
40.具体地：本实施例的检测腔内部设置有两个隔板，每个隔板中部设置有通孔，膜电极200和被检测质子交换膜300分别密封安装于两个隔板的通孔中，将通孔封住，这样使得
检测腔内部被分隔为三个区域，三个区域分别为氢气流通区域110、氢气渗透区域120和排空区域130，氢气流通区域110设置于被检测质子交换膜300的底侧，而氢气渗透区域120设置于被检测质子交换膜300顶侧与膜电极200底侧之间，而设置于排空区域130设置于膜电极200顶侧。
41.为了便于对不同的质子交换膜进行快速的检测，本实施例的被检测质子交换膜300可拆安装于隔板的通孔中，具体地：被检测质子交换膜300采用可拆安装结构实现安装，本实施例的可拆安装结构包括两个夹具700，两个夹具700固定于对应通孔的两侧，在使用时，被检测质子交换膜300的两侧通过两个夹具700夹持固定，并且保证质子交换膜安装处的密封性。
42.其中氢气流通区域110具有氢气进口、第一吹扫口、第一排气口，而氢气渗透区域120具有第二吹扫口、第二排气口，排空区域130设置有第三吹扫口、第三排气口，第一排气口、第二排气口和第三排气口均安装有排空阀，三个排空阀分为第一排空阀113、第二排空阀121和第三排空阀131。
43.本实施例的惰性气供应装置用于给三个区域相连供应吹扫的惰性气体，本实施例的惰性气供应装置包括惰性气罐500，惰性气罐500的出口通过管道分别与第一吹扫口、第二吹扫口和第三吹扫口连通，并且在第一吹扫口、第二吹扫口和第三吹扫口中均安装有开关阀，三个开关阀分为第一开关阀114、第二开关阀122和第三开关阀132，根据不同的需求打开或者关闭对应的开关阀，灵活地对各个流道进行调节。
44.而氢气供应装置用于给氢气流通区域110提供氢气，具体地：氢气供应装置包括有储氢罐600，储氢罐600的出口通过管道与氢气流通区域110的氢气进口连接，并在储氢罐600的出口处安装有氢气开关阀610，通过氢气开关阀610来控制氢气供应的通断。
45.其中对于惰性气体供应和氢气流通区域110内氢气的压力调节，本实施例在第一排空阀113的前端安装有背压阀112，通过背压阀112来调控氢气流通区域110中的压力，在惰性气罐500的出口管道上安装有惰性气调压阀510，通过惰性气调压阀510对供应的惰性气体的气压和流量进行调节。
46.并且，氢气流通区域110安装有压力计111，压力计111用于检测氢气流通区域110内的气压，根据压力计111的压力值来操作背压阀112。
47.本实施例的外接检测电回路包括外接电源400、电流计410，膜电极200的上下两侧分别与外接电源400的负极和正极连接，电流计410串联于外接电源400与膜电极200连接的回路中，电流计410用于测量回路中所产生的电流。
48.为了降低成本，本实施例的惰性气体采用氮气。
49.本实施例还提供一种燃料电池质子交换膜氢气渗透率检测方法，具体步骤如下：
50.s1、将被检测质子交换膜300通过两个夹具700密封固定于检测腔中，使得检测腔形成上述的氢气流通区域110、氢气渗透区域120和排空区域130；
51.s2、将第一排空阀113、第二排空阀121、第三排空阀131、第一开关阀114、第二开关阀122和第三开关阀132调至打开状态，惰性气罐500对整个系统的流道进行氮气吹扫15～30秒，使整个系统充满氮气，以排出各个区域的空气，提高检测的准确性；
52.s3、氮气吹扫完成后，关闭第一排空阀113、第二排空阀121、第一开关阀114和第二开关阀122，停止对氢气渗透区域120和氢气流通区域110的氮气供应；
53.s4、打开氢气开关阀610，储氢罐600给氢气流通区域110注入氢气，通过调节背压阀112并读取压力计111的读数，将氢气流通区域110内压强调至检测压强；
54.s5、调节惰性气调压阀510将排空区域130的氮气流量调至较少量；
55.s6、接通外接电源400，逐渐加大外接电源400的电压，当电流量不再增加并且稳定时，就记录电流计410的电流值；
56.s7、通过检测的电流值算出被检测质子交换膜300在设定压强下的氢气渗透率。
57.在检测时，氢气流通区域110内的氢气分子穿过被检测质子交换膜300进入氢气渗透区域120，渗透的氢气在膜电极200中被氧化为氢离子并产生电流，通过电流计410读取膜电极200外接电路上电流的数值，从而可计算出被检测质子交换膜300的氢气渗透率。
58.而对于排空区域130的设置，可提高检测的准确性，在检测时，给排空区域130提供适量的氮气，排空区域130的第三排空阀131打开，这样排空区域130内部的惰性气体是流动的，并且与外界连通，而排空区域130内的气压高于大气压，外界的空气不会进到排空区域130内，同时这样可使得氢气流通区域110、氢气渗透区域120与排空区域130形成对流，使得氢气可进入氢气渗透区域120中。
59.本发明通过直接测量外接电回路的电流并通过计算得出被检测质子交换膜300的氢气渗透率，成本低，耗时短，操作简便，使得燃料电池质子交换膜氢气渗透率的检测手段变得更加简便快捷。
60.实际工作时，通过对开关阀以及压力控制阀的调节，控制密封检测装置100内三个区域氮气和氢气的流通情况，通过电流计410读取膜电极200外接电路上电流的数值从而计算出被检测质子交换膜300的氢气渗透率。
61.以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。