[发明专利]用于燃料电池的膜电极组件的针孔检查系统和装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的膜电极组件(MEA)的针孔检查系统和装置，其检测针孔的存在和位置，而不会损伤或破坏MEA中的一个或多个部件。

背景技术

燃料电池是一种能量转换装置，其不是通过燃烧将燃料的化学能转换为热，而是将化学能直接电化学地转换为电能。然后可以将燃料电池用于向例如便携式装置的小型电气/电子装置供应电力，并用于向工业、家庭和车辆应用供应电力。

通常，在车辆中具有高功率密度的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)常用作燃料电池源。聚合物电解质膜燃料电池具有许多优点，例如50～100℃的低运行温度、快速启动和功率转换率、以及高能量密度。

在结构上，通过将膜电极组件(MEA)设置在燃料电池组的每个单元电池的中心，来将燃料电池形成到燃料电池组中。MEA包括固体聚合物电解质膜以及包括阴极和阳极的催化剂层，经由该固体聚合物电解质膜运输氢离子，并且该催化剂层涂覆在电解质膜的两侧以使氢与氧进行反应。

而且，气体扩散层(GDL)和垫片顺序堆叠在电解质膜的外侧，即，阴极和阳极分别所在的位置。包括流场的隔板(也称为双极板)位于该GDL的外侧，经由该隔板供应反应气体(作为燃料的氢和作为氧化剂的氧或空气)并且冷却剂通过该隔板。然后，堆叠多个单元电池，并且用于支承单元电池的端板安装到每个最外侧，以使单元电池可以布置并紧固在端板之间，由此构造燃料电池组。

能够想象，燃料电池核心部件聚合物电解质膜的劣化对PEMFC的性能退化具有显著影响。具体地，电解质膜的劣化通过由以下反应(1)至(3)表示的机制而发生。

反应(1)：R-CF₂COOH+HO·→R-CF₂+CO₂+H₂O

反应(2)：R-CF₂+HO·→R-CF₂OH→R-COF+HF

反应(3)：R-COF+H₂O→R-COOH+HF

参见上述反应，经由膜从阴极扩散的氧在铂(Pt)催化剂的存在下被转换为过氧化氢并扩散到电解质膜。这里，当膜被金属离子污染时，通过过氧化氢与金属离子之间的反应产生羟基自由基(HO·)和氢过氧自由基(HOO·)。这些自由基攻击膜的端基从而在膜的聚合物链中导致断链，由此使聚合物电解质膜劣化。

当通过上述化学劣化使聚合物链重复断裂时，弹性聚合物可能变薄，或者出现局部针孔或开裂等。这些劣化影响与燃料电池组的性能退化相关。因此，需要检测聚合物电解质膜中针孔的存在和位置，以防止燃料电池组的性能退化。

现在将说明用于检测聚合物电解质膜中针孔的存在和位置的常规技术。

首先，如图1所示，日本专利公开第2004-233097号公开一种氢传感器5，其包括：微胶囊装置1，用于使用金属膜覆盖储氢(hydrogen-occlusion)合金的粉末颗粒；温度检测装置即热电偶2；集成装置，其中微胶囊装置1的储氢合金的覆盖的粉末颗粒和温度检测装置的热电偶2被容纳在保险丝3的端盖中；以及电子控制装置即包括电源的电子控制单元4。

然而，当使用上述日本专利公开文件中公开的氢传感器检查膜电解质组件的针孔时，仅可以检测到通过针孔的氢的量(浓度)。不可以测量针孔的位置和大小。

其次，图2是示出使用氨检测聚合物电解质膜中针孔的常规方法的示意图，其中经由气体流场12将稀氨(NH₃)气施加到聚合物电解质膜11的一侧，并将pH指示剂13(具有刚果红的滤纸)安装在另一侧，由此通过Shinji Kinoshita，Fuel Cell Testing Workshop(燃料电池测试研讨会)2007中公开的氨(NH₃)气法检测聚合物电解质膜11中的针孔。

然而，氨气对眼睛、鼻子和喉咙非常刺激，并且长期暴露于氨气可能导致呼吸困难，这对人体非常有害。因此，当通过上述方法进行针孔的检查时，不可以进行长期的完整检查并且不可以在检查后重新使用该聚合物电解质膜电极组件。