[发明专利]一种膜电极无损探伤装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的膜电极(MEA)无损探伤装置。

背景技术

PEMFC由于其突出优点，已经成为国内外大力研究的新型动力源，而我国更是在“九五”、“十五”期间，把PEMFC及其相关技术作为重大项目列入国家科技攻关项目。PEMFC是由多个部件组成的复杂系统，其中由质子交换膜(PEM)和催化层组成的膜电极(MEA)是PEMFC的核心部件。燃料电池在使用过程中，因物理或化学的原因会造成质子交换膜的局部损伤如针孔或撕裂，将会导致MEA两侧的燃料和氧化剂透过膜发生直接催化燃烧反应，国内外大量研究表明，这通常是造成PEMFC性能衰减的主要因素之一。此外，当燃料和氧化剂的相互渗透浓度达到一定程度时还容易引起电堆起火甚至爆炸，给燃料电池使用带来很大的安全隐患。由于PEM表面覆盖着Pt-C催化层，这使得研究人员很难确定在PEM中的具体损伤部位。开发MEA的探伤方法，旨在对经使用后造成损伤的MEA进行探伤，确定其损伤的具体位置、大小及形状，结合对这些损伤部位的其它仪器表征，可分析、推测造成这种损伤的原因，为改进MEA、催化剂、流场结构、电堆组装、电池操作条件(压力、温度、湿度等)等提供有价值信息。目前，有些文献报道了研究人员使用鼓泡法来确定PEM的损伤与否，但是该方法操作难度大，且难以确定PEM的损伤程度。目前并没有有关确定PEM损伤程度及具体部位的方法及装置的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准确、快速、简便、经济的膜电极探伤装置，以克服现有检测方法的不足。

本发明提出的膜电极探伤装置，由氢气系统、氮气系统、模具系统、安全泄放系统、红外成像检测系统组成；其中：

氢气系统由氢气瓶1、第一减压阀1-3、第一针阀1-4、第一压力表1-5、第一电磁阀1-6通过管道和阀门依次连接组成；

氮气系统由氮气瓶2、第二减压阀2-3、第二针阀2-4、第二压力表2-5、第二电磁阀2-6通过管道和阀门依次连接组成；

模具系统8由夹具16、密封圈18和模具腔19组成，模具腔19为中部空心的矩形结构，其顶部敞开，密封圈18位于模具腔19开口部位，密封圈18上有夹具16，夹具16通过螺母15连接密封圈18，且固定于模具腔19上，夹具16与密封圈18之间用于放置被测膜电极17；

安全泄放系统由压力传感器9、泄压阀11、氢气传感器12组成，压力传感器9位于模具腔19一侧，泄压阀11位于模具腔19一侧上方，氢气传感器12位于模具腔19顶部；

红外成像检测系统由数据采集处理系统7、红外探测器13、计算机14、信号转换器20、打印机21、显示器22组成，红外探测器13连接信号转换器20、信号转换器20连接数据采集处理装置7，数据采集处理装置7连接计算机14，计算机14分别连接打印机21、显示器22；

氢气系统和氮气系统的输出端分别连接模具腔19和数据采集处理装置7，数据采集处理装置7连接第三电磁阀10。

本发明中，所述的氢气系统提供压力、流量可调的氢气，可模拟膜电极的工作压力。

本发明中，所述的氮气系统可提供压力、流量可调的氮气，满足装置吹扫和置换需要。

本发明中，所述的模具系统可有效固定MEA并确保其周边密封。

本发明中，所述的红外成像系统可探测MEA表面的红外辐射能量分布。

本发明中，所述的安全泄放系统可确保测试过程中，MEA不会因两侧的压差过大而导致损坏。本发明利用原位压差渗透扩散、催化燃烧和红外热感应等技术原理：在MEA发生损坏的情况下，由于氢气侧的压力略高于空气侧，氢气将会从损伤处渗透到达空气侧(见图1)，在膜电极上的Pt催化剂的作用下与空气中的氧发生催化燃烧反应，生成水，同时放出热量，这将导致MEA损伤处的温度明显高于其它部位。本发明利用红外热成像技术作为MEA上热源发生点(或面)的探测工具。通过红外热成像技术测得的MEA表面温度及分布数据，借助计算机数字信号处理技术来准确确定膜电极中的质子交换膜的损伤部位以及损伤程度。图3所示为红外热成像检测系统结构框图。

本发明的探伤方法无需直接接触被测膜电极，不破坏温度场，以热图像的形式反映MEA的二维温度场，直观准确，测量范围广，探伤速度快。

本发明装置结构简单，操作方便，能够快速准确确定膜电极中的质子交换膜的损伤部位以及损伤程度。图2是本发明装置的系统流程示意图。