[发明专利]一种燃料电池电堆泄漏率测试装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其是涉及一种燃料电池电堆泄漏率测试方法与装置。

背景技术

由于能源紧张和环境污染等问题日益突出，作为一种能量转换装置，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其能量转换效率高、清洁无污染，兼之工作温度低、功率密度高等优点，越来越受到各国政府、能源企业和汽车制造厂商的重视，纷纷开发基于PEMFC的移动电源、发电装置、各种类型的发电站和车用发动机。

PEMFC是一种电化学发电装置，可以高效、无污染地将贮存在燃料(氢气)中的化学能，通过与氧气反应而转化成电能。它的基本原理如下：在阳极侧通入一定压力的氢气，在阴极侧通入一定压力的空气(在比较特殊的条件下，比如航天器或潜艇上，也可以采用纯氧)；在阳极侧，氢气经过阳极扩散层的分布后，到达催化剂层，在催化剂的作用下产生电子和质子；电子经过外电路到达阴极，质子经过质子交换膜到达阴极；在阴极，氧气经过阴极扩散层后到达催化层，并在那里与电子和质子相遇，发生电化学反应生成水并产生电能。在此过程中，为了即时排除电化学反应过程中产生的热量，还需要将冷却水(一般为去离子水或其与乙二醇的混合溶液)通入电池内部进行散热。然而，对于氢气、空气与冷却水这三种流体，它们都存在泄漏到电堆外部(即外漏)或窜入其它流体腔体中(即内漏)去的风险。

在燃料电池正常工作时，其内部的氢气、空气与水必须通过在各自的腔体和流道中流动，不能外漏和互窜，否则会使燃料损失、电池性能衰减、发电效率下降，甚至产生安全隐患。防止这三种流体外漏和内漏的部件包括质子交换膜(也即膜电极组件(MEA))、双极板和密封圈等。然而，在实际的工作过程中，质子交换膜的薄膜特性和弹性体密封件的材料特性所限，流体的绝对不漏和不窜是做不到的，尤其是当PEMFC电堆由数十片乃至数百片单电池串联构成时。究其原因，这些流体的泄漏主要是由于质子交换膜的孔隙、双极板(尤其是石墨双极板)的孔隙以及密封圈的透气率等材料固有性质以及设计缺陷、加工误差、组装误差等问题造成。

一般地，PEMFC电堆的外漏和互窜包括以下六种情况：氢气腔外漏、空气腔外漏、水腔外漏、氢气/空气腔互窜、氢气/水腔互窜、空气/水腔互窜。其中，后三种情况属于内漏，一般不具有方向性。比如，氢气向空气腔体的泄漏和空气向氢气腔体的泄漏是等效的。任何形式的外漏和互窜都是客观存在的，追求绝对不漏的电堆在工程实践中是不现实的，也是无意义的。但是，为了避免过多的电池性能和效率下降造成的损失，更为了防止燃烧、爆炸等安全隐患的发生，在电堆出厂前必须对其进行各种泄漏率测试，对外漏和互窜原因进行分析；同时还应制订相应的测试规范，并对电堆泄漏率的允许限度做出规定。因此，电堆泄漏率的准确测试对于制造厂商和用户就显得尤为重要了，因为只有具备完整、可靠、重现性好的测试手段，才有可能形成电堆泄漏率测试的内部规范甚至外部标准。

传统的电堆气密性测试方法多在燃料电池系统上进行。

日本专利[JP 231368/2005]提出了一种燃料电池系统的燃料气体泄漏的判断方法，通过检测在燃料电池阳极侧封闭空间内的压力变化，参照规定的气体泄漏值判断系统的氢腔是否存在泄漏。为了精确地确定气体泄漏值，还充分考虑了空气侧渗漏至阳极侧的氮气的影响。

日本专利[JP 194377/2005]中还进一步提出了通过将燃料电池系统分隔出多个连续的封闭空间，然后通过测量空气或氢气流动方向上各封闭空间的压力变化，来判断各封闭空间中的气体泄漏量。

中国专利[200880115085.0]中还提出了一种在燃料电池运行过程中判断其是否存在氢气的外漏或互窜的方法。其关键还是依赖于压力传感器显示的压力变化，只不过此时还需要扣除由于发电消耗氢气所引起的气压的下降。

上述专利均属于基于燃料电池系统内部的压力变化而开发的各种气体泄漏测试法，这些方法简便、实用，并且易于实现车载应用。但是，这些方法缺乏电堆本身泄漏率的客观数据，且将电堆与车载辅助系统联合测试，不易于区分引起泄漏的主要原因究竟是电堆还是辅助系统。

中国专利[201020515747.8]公布了一种简易的MEA检漏装置。该装置通过流量计或U型连通器测量膜厚度方向的泄漏率。因此该装置仅能测试单片MEA的内漏引起的泄漏率，无法对电堆的各种泄漏率进行测试；而且在泄漏率极低时，利用通过流量计或U型连通器测量泄漏率是无法实现的。