用于燃料电池的膜电极组件的针孔检查系统和装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种用于燃料电池的膜电极组件的针孔检查装置、系统和方法，其使用水和pH试纸，根据在水经由针孔而与pH试纸接触时引起的变色，能够容易地检测针孔的位置，由此解决现有问题并允许在检查之后重新使用该膜电极组件。具体地，下固定件配置成支承膜电极组件且水均匀地分布在膜电极组件的上表面上。pH试纸插入到膜电极组件与下固定件之间并在与通过膜电极组件中的针孔的水接触时变色，由此检测针孔的存在和位置。
【专利说明】用于燃料电池的膜电极组件的针孔检查系统和装置
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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°C的低运行温度、快速启动和功率转换率、以及高能量密度。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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(I)至(3)表示的机制而发生。
[0007]反应(I):r-cf2cooh+h0.— r-cf2+co2+h2o
[0008]反应(2):R-CF2+H0.— R-CF2OH — R-COF+HF
[0009]反应(3):R-C0F+H20 — R-C00H+HF
[0010]参见上述反应，经由膜从阴极扩散的氧在钼(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(H0.)和氢过氧自由基(H00.)。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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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I，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I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。
[0014]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。
[0015]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 TestingWorkshop (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。
[0016]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。
[0017]第三，如图3所示，由本 申请人:提交的韩国专利申请公开第10-2009-0107610号(其全部引入本文以作参考)示例说明了用于检测聚合物电解质膜中针孔位置的装置和方法。具体地，在上块20和下块21中分别存储有具有不同pH值的溶液。指示剂入口 22穿过上块20的顶部，并且一对中间板23a和23b布置在上块20与下块21之间。格型支承网25安装到该对中间板23a和23b的中间的支承网安装区域24，并且聚合物电解质膜27的边缘固定在该对中间板23a与23b之间并且其中心布置在该支承网上，使得具有不同pH值的溶液能够与聚合物电解质膜27的两侧接触。然后，将指示剂26注入到聚合物电解质膜27的引起劣化的一侧，由此容易地检测通过劣化而在聚合物电解质膜27中形成的针孔的位置。
[0018]在使用上述方法检测聚合物电解质膜27中的针孔的存在时，聚合物电解质膜27暴露于酸性或碱性PH溶液并由此在检查之后不能重新使用，并且废液难以处理并导致环境污染。因此，虽然有效但是不理想。
[0019]最后，图4是显示U.S.专利第5，763，765号中公开的使用红外摄像机30检测聚合物电解质膜中针孔31的存在的常规方法和装置的示意图。在该专利中，聚合物电解质膜电极组件固定于固定件，将空气注射到其一侧，并且将氢注射到其另一侧。如果在聚合物电解质膜电极组件中存在针孔，该两种气体经由针孔相会从而在钼(Pt)催化剂的存在下导致放热反应。这里，通过红外摄像机30测量温度分布，并由此将温度局部升高的点确定为针孔31的位置。数字32表示针孔检测监视器，并且33表示电信号分析器。
[0020]然而，当使用红外摄像机30时，氢气被注射到受限空间并对其加压，因此通过这个过程可能撕破膜。而且，当在加压期间氢与空气之间的放热反应在高温下突然发生时，也可能燃烧聚合物电解质膜，由此使其无法使用。
[0021]上述在该【背景技术】部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成在该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。
【发明内容】
[0022]本发明提供用于燃料电池的膜电极组件(MEA)的针孔检查系统和装置，其使用水和pH试纸，根据在水经由针孔而与pH试纸接触时引起的变色，能够容易地检测针孔的位置，由此解决现有问题并允许在检查之后重新使用膜电极组件。
[0023]一方面，本发明提供用于燃料电池用膜电极组件的针孔检查系统和装置，该装置包括:下固定件，配置成支承膜电极组件；水，均匀分布在膜电极组件的上表面上；以及PH试纸，插入到膜电极组件与下固定件之间并在与通过存在于膜电极组件中的针孔的水接触时变色，由此检测该针孔的存在和位置。
[0024]在示例性实施方式中，该系统和装置还包括上固定件，其挤压膜电极组件的顶部，以使水能够经由针孔容易地被PH试纸吸收。另外，布置成覆盖膜电极组件顶部的滑片可以保持膜电极组件的清洁，从而允许该膜被重新使用。
[0025]在又一个示例性实施方式中，可以使用移液管或流场将水供应到膜电极组件的电极表面。另外，PH试纸在与pH7的水接触时变色，以使变色能够与标准比色图表比较。
[0026]在下文中讨论本发明的其它方面和示例性实施方式。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]现在将参考附图图示的本发明的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中:
[0028]图1是显示常规氢传感器的示意图；
[0029]图2是显示根据另一常规方法的使用氨检测聚合物电解质膜中针孔的方法的示意图；
·[0030]图3是显示根据又一常规装置的检测聚合物电解质膜中针孔位置的装置的示意图；
[0031]图4是显示根据又一常规方法的使用红外摄像机检测聚合物电解质膜中针孔存在的方法的示意图；
[0032]图5是显示根据本发明一个示例性实施方式的用于燃料电池用膜电极组件的针孔检查装置的截面视图；
[0033]图6是显示根据本发明的另一个示例性实施方式的用于燃料电池用膜电极组件的针孔检查装置的截面视图；
[0034]图7显示使用根据本发明的示例性实施方式的针孔检查装置检测针孔的存在和位置的代表性实例的图像。
[0035]附图中提到的附图标记包括对在下面进一步讨论的以下元件的参考:
[0036]50:上固定件51:把手
[0037]52:下固定件53:pH试纸
[0038]54:滑片55:膜电极组件
[0039]56:去离子水57:针孔
[0040]60:上固定件61:下固定件
[0041]62:pH 试纸63:垫片
[0042]64:膜电极组件65:螺栓
[0043]66:流场66a:入口
[0044]66b:中间流场66c:出口[0045]67:去离子水68:针孔
[0046]应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。
[0047]在附图中，附图标记在几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
【具体实施方式】
[0048]应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
[0049]在下文中讨论本发明的上述以及其它特征。
[0050]下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。
[0051]图5是显示根据本发明示例性实施方式的用于燃料电池用膜电极组件的针孔检查装置的截面视图。本发明提供用于燃料电池的膜电极组件55的针孔检查装置、系统和方法，其能够容易地检测针孔57的位置，实现预检查和后劣化分析，并允许在检查后重新使用膜电极组件55，而不损伤或破坏膜电极组件55中的一个或多个部分。为此，针孔检查装置通过使用去离子水56和pH试纸53简单检测形成在膜电极组件55的聚合物电解质膜中的针孔的存在、位置和大小。
[0052]首先，针孔检查装置通常包括配置成支承和固定聚合物膜电极组件55(下文中称为膜电极组件(MEA))的下固定件52、配置成检测膜电极组件55中针孔57的位置的pH试纸53、以及配置成挤压膜电极组件55以使去离子水56能够均匀分布在膜电极组件55的上表面上的上固定件50。下固定件52起到支承膜电极组件55的作用并具有平板形状，以使膜电极组件55能够布置在其上以被稳定地支承。
[0053]pH试纸53为通过使用酸碱指示剂对滤纸例如石蕊试纸染色而制备的带的形式并用于测量pH。优选地，pH试纸53与实际的膜电极组件55具有相同大小，以便能够检测针孔57的位置。
[0054]膜电极组件55布置在pH试纸53上，并且当在膜电极组件55中存在针孔57时，去离子水56通过针孔57并与pH试纸53内的指示剂接触，以导致试纸53变色，由此可以检测针孔57的存在和位置。`
[0055]上固定件50具有平板形状并挤压在膜电极组件55的上表面上，以使供应到膜电极组件55的上表面上的去离子水56能够均匀分布，由此允许去离子水56经由针孔57而被pH试纸53快速吸收。
[0056]把手51可以形成为从上固定件50的顶部突出，以用于保持和运载上固定件50或经由上固定件50将挤压力传送至膜电极组件55的顶部。
[0057]可以将滑片54插入到膜电极组件55与上固定件50之间。当通过上固定件50挤压膜电极组件55时，滑片54防止上固定件50与膜电极组件55直接接触，从而防止附着在上固定件50的接触面上的异物转移到膜电极组件55，由此保持膜电极组件55的初始清洁，这允许在检查针孔57之后重新使用该膜电极组件55。
[0058]现在将说明根据本发明的针孔检查方法。
[0059]与膜电极组件55的大小和形状相同的pH试纸53布置在下固定件52上，并且膜电极组件55布置在pH试纸53上。然后，使用例如移液管将去离子水56均匀地喷洒在膜电极组件55的电极表面上。将滑片54持续保持在喷洒有去离子水56的膜电极组件55上，然后下压上固定件50。
[0060]这里，当在膜电极组件55中存在针孔57时，去离子水56通过针孔57并与pH试纸53接触，因此pH试纸53变色为pH7的反应颜色(例如，图7中的红色)。结果，可以根据相关的变色情况检测膜电极组件55中针孔57的存在和位置。
[0061]然而，当不必要地长时间例如多于I分钟地挤压上固定件50时，去离子水56经由膜电极组件55蔓延，这使整个pH试纸53变色，由此使得不可以检测针孔57的位置。因此，优选挤压上固定件50少于I分钟以确保测试的精度。
[0062]因此，根据本发明的针孔检查装置能够使用水例如去离子水56检测针孔57的存在。水也是燃料电池中电化学反应的产物，因此可以使用作为燃料电池产物的水。
[0063]有利的是，水经由针孔57与pH试纸53接触，使得因pH试纸53的变色而能够快速且容易地检测针孔57的存在和位置，而不损伤或破坏膜电极组件的一个或多个部分。
[0064]而且，可以进行预检测和后劣化分析，装置的结构和使用简单，因此可以确保优异的可操作性和工作效率。第三，由于滑片54布置在膜电极组件55上然后下压上固定件50，因此可以保持膜电极组件55的初始清洁，这允许膜电极组件55用于燃料电池组的制造，而无需任何附加处理，例如准备单独的样品。
[0065]第四，由于通过使用水能够检测针孔57的存在和位置，因此不必使用对眼睛、鼻子和喉咙非常刺激的氨气，由此可以防止在检查工序期间对工人的任何伤害。而且，由于也不使用氢，可以防止电解质膜在催化剂存在的情况下通过连续反应而被燃烧。
[0066]第五，在针孔检查期间不使用酸性或碱性pH溶液，因此可以在检查后重新使用膜电极组件并消除废水处理液和环境污染。
[0067]图6是示出根据本发明的另一个示例性实施方式的用于燃料电池用膜电极组件的针孔检查装置的截面视图，并且图7显示使用根据本发明的示例性实施方式的针孔检查装置检测针孔的存在和位置的代表性实例的图像。
[0068]在本发明的另一个示例性实施方式中，提供一种针孔检查装置，其具有与燃料电池的实际评估中使用的固定件相同的结构。
[0069]根据本发明的另一个示例性实施方式的针孔检查装置包括上固定件60和下固定件61，其中上固定件60具有去离子水67可以流经的流场66，并且下固定件61能够支承膜电极组件64和pH试纸62。当基于膜的厚度替换垫片63时，可以检测各种厚度的膜的针孔68。
[0070]这里，流场66包括从上固定件的一端形成到上固定件的另一端的入口 66a、中间流场66b和出口 66c，以使去离子水67能够均匀地分布在膜电极组件64的整个表面上。
[0071]因此，根据本发明的这个实施方式的检查方法与之前说明的方法相似。
[0072]具体地，与待检查的样品具有相同大小和形状的pH试纸62布置在下固定件61上，膜电极组件64布置于其上，然后通过螺栓65紧固上固定件60和下固定件61。然后，经由上固定件60的流场66注射去离子水67，并且当在膜电极组件64中存在针孔68时，去离子水67与pH试纸62接触，因此pH试纸62变色为pH7的反应颜色。该变色表示在膜电极组件64中存在针孔68，并由此可以检测针孔68的存在和位置。
[0073]如上所示，根据本发明的针孔检查装置具有下述优点。
[0074]首先，在水经由针孔与pH试纸接触时，可以根据pH试纸的变色而快速且容易地检测针孔的存在和位置，而不损伤或破坏部件。第二，可以进行预检查和后劣化分析，该装置的结构和使用简单，并由此可以确保优异的可操作性和工作效率。
[0075]第三，由于滑片布置在膜电极组件上然后下压上固定件，因此可以保持膜电极组件的初始清洁，这允许膜电极组件用于燃料电池组的制造，而无需任何附加处理，例如准备单独的样品。
[0076]第四，由于通过使用水而不是氨气(对眼睛、鼻子和喉咙非常刺激)检测针孔的存在和位置，因此可以防止在检查期间对工人的伤害。而且，由于不使用氢，可以解决电解质膜在催化剂存在的情况下通过连续反应而被燃烧的问题。
[0077]第五，由于在针孔检查期间不使用酸性或碱性pH溶液，因此可以在检查之后重新使用膜电极组件并由此消除废水处理液和环境污染。
[0078]本发明参考其示例性实施方式进行了详细说明。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变，本发明的范围由权利要求及其等同方式限定。
【权利要求】
1.一种用于燃料电池的膜电极组件的针孔检查装置，所述装置包括: 下固定件，配置成支承所述膜电极组件； 水，均匀地分布在所述膜电极组件的上表面上；以及 PH试纸，插入到所述膜电极组件与所述下固定件之间，其中当在所述膜电极组件中存在针孔时，所述pH试纸在与通过所述针孔的水接触时变色，以检测所述膜电极组件中针孔的存在和位置。
2.如权利要求1所述的装置，还包括上固定件，其挤压所述膜电极组件的顶面。
3.如权利要求1所述的装置，还包括滑片，其布置在所述膜电极组件的顶部上，以防止碎片转移至所述膜电极组件。
4.如权利要求1所述的装置，其中使用移液管将所述水供应到所述膜电极组件的电极表面。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述PH试纸在与pH7的水接触时变色，以使所述变色能够与标准比色图表比较。
6.如权利要求1所述的装置，其中使用流场将所述水供应到所述膜电极组件的电极表面。
7.如权利要求6所述的装置，其中流场包括从所述上固定件的一端形成到所述上固定件的另一端的入口·、中间流场和出口，以使水能够均匀地分布在所述膜电极组件的整个表面上。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述水为去离子水。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述上固定件包括形成在其顶部的把手。
10.一种用于检测燃料电池的膜电极组件中的针孔的方法，所述方法包括: 将pH试纸布置在下固定件上，并将所述膜电极组件布置在所述pH试纸上； 将水均匀地喷洒在所述膜电极组件的电极表面上；以及 通过上固定件下压在布置于所述膜电极组件上的滑片上； 其中当在所述膜电极组件中存在针孔时，所述水通过所述针孔并且与所述pH试纸接触，然后所述pH试纸由于与所述水接触而变色。
11.如权利要求10所述的方法，其中挤压所述上固定件少于I分钟。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述上固定件挤压所述膜电极组件的顶面。
13.如权利要求10所述的方法，其中布置在所述膜电极组件的顶部上的滑片与所述膜电极组件具有相同的大小和形状。
14.如权利要求10所述的方法，其中使用移液管将所述水供应到所述膜电极组件的电极表面。
15.如权利要求10所述的方法，其中所述pH试纸在与pH为7的水接触时变色，以使所述变色能够与标准比色图表比较。
16.如权利要求10所述的方法，其中使用流场将所述水供应到所述膜电极组件的电极表面。
17.如权利要求10所述的方法，其中所述水为去离子水。
18.一种用于检测燃料电池的膜电极组件中的针孔的系统，所述系统包括: 下固定件，支承所述膜电极组件，以及pH试纸，插入到所述膜电极组件与所述下固定件之间， 其中当在所述膜电极组件中存在针孔时，所述pH试纸在与通过所述针孔的水接触时变色，以检测所述膜电极组件中针孔的存在和位置，所述水均匀地喷洒在所述膜电极组件的上表面上并由于上固定件所施加的压力而通过所述针孔。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述水为去离子水。
20.如权利要求18所述的系统，其中所述pH试纸在与pH为7的水接触时变色，以使所述变色能够与标准比色图表比较。
【文档编号】G01N21/78GK103575736SQ201210595802
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年12月5日 优先权日:2012年7月30日
【发明者】朴智研, 洪普基, 安商悦 申请人:现代自动车株式会社