一种确定低温质子交换膜燃料电池部件中针孔大小的方法

本发明涉及燃料电池，具体而言，尤其涉及一种确定低温质子交换膜燃料电池部件中针孔大小的方法。

背景技术：

1、目前，燃料电池大规模应用所面临的两大挑战是寿命和成本问题，对于商用质子交换膜燃料电池的关键部件膜电极来说，耐久性是非常重要的。

2、膜电极上存在的针孔将会影响膜电极的耐久性，在膜电极的生产过程中以及燃料电池的组装过程中膜电极会出现意外损伤，出现针孔，而且大多数文献中均认为膜电极上出现针孔会导致氢气泄漏，存在安全问题，也是导致燃料电池性能急速下降的原因之一，因此，膜电极上针孔的检测对于燃料电池大规模应用是非常重要的。

3、已有的检测膜电极针孔方法只能在线检测膜电极是否存在针孔缺陷，或者拆卸电池才能确定针孔的位置及大小，在电池运行过程中无法检测针孔的大小。

技术实现思路

1、根据上述提出无法在线检测膜电极针孔大小的技术问题，而提供一种确定低温质子交换膜燃料电池部件中针孔大小的方法。本发明主要利用在双极板阴极侧设置电路板，检测膜电极阴极侧的电流密度分布情况，通过记录出现负值电流密度时的背压差值，带入公式计算针孔的大小，可以在不拆卸燃料电池的情况下简单方便的得到膜电极上的针孔大小，适用于不同运行条件，便于在实际操作中应用。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种确定低温质子交换膜燃料电池堆部件中针孔大小的方法，包括以下步骤：

4、s1、将电路板紧贴在燃料电池双极板的阴极侧，采集所述燃料电池阴极侧的电流信号；

5、s2、启动所述燃料电池，使所述燃料电池处于开路或运行状态，达到预设的电流密度后，在所述燃料电池阳极侧和阴极侧分别施加背压，保证所述阳极侧背压大于所述阴极侧背压，控制所述燃料电池的温度；

6、s3、逐渐增大所述阳极侧与所述阴极侧背压的差值，直至检测出局部负值电流密度；

7、s4、记录出现所述负值电流密度时所述阳极侧与所述阴极侧背压差值为pc，根据公式计算针孔大小，所述公式如下：

8、

9、其中，pc为出现负值电流密度时阳极侧与阴极侧的背压差值；

10、σ为燃料电池运行时的温度函数，查阅相关技术文献明确温度与σ的对应函数值；

11、θ为水的接触角，不同的膜电极对应的水接触角不同，根据实际使用的膜电极来确定；

12、r为所述针孔的半径。

13、进一步地，在步骤s2中，所述燃料电池在运行过程中的整体电流密度小于500ma/cm2。

14、进一步地，在步骤s2中，所述燃料电池在开路或运行过程中的温度为60～80℃。

15、进一步地，所述阳极侧氢气进气量化学计量比为1.5～2.5，所述阴极侧空气进气量化学计量比为2.5～3.5。

16、进一步地，在步骤s3中，所述阳极侧背压与所述阴极侧背压的差值为0.1～1.2bar。

17、进一步地，在步骤s2中，所述阳极侧与所述阴极侧的湿度为10％～100％。

18、进一步地，所述电路板为霍尔元件制造的pcb电路板，所述电路板全覆盖所述膜电极区域。

19、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

20、1、本发明提供的一种确定低温质子交换膜燃料电池堆部件中针孔大小的方法，通过在双极板阴极侧设置电路板，检测膜电极阴极侧的电流密度分布情况，通过记录出现负值电流密度时的背压差值，带入表面张力公式计算针孔的大小，可以简单方便的得到膜电极上的针孔大小，便于在实际操作中应用。

21、2、本发明提供的一种确定低温质子交换膜燃料电池堆部件中针孔大小的方法，通过在双极板阴极侧设置电路板，检测膜电极阴极侧的电流密度分布情况，可在不拆卸燃料电池的情况下得到膜电极针孔的大小，还可在燃料电池开路或运行的过程中，原位在线检测膜电极损伤的针孔大小，适用范围广。

22、基于上述理由本发明可在燃料电池等领域广泛推广。

技术特征：

1.一种确定低温质子交换膜燃料电池部件中针孔大小的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的确定低温质子交换膜燃料电池部件中针孔大小的方法，其特征在于，在步骤s2中，所述燃料电池在运行过程中的整体电流密度不超过500ma/cm2。

3.根据权利要求2所述的确定低温质子交换膜燃料电池部件中针孔大小的方法，其特征在于，在步骤s2中，所述燃料电池在开路或运行过程中的温度为60～80℃。

4.根据权利要求3所述的确定低温质子交换膜燃料电池部件中针孔大小的方法，其特征在于，所述阳极侧氢气进气量化学计量比为1.5～2.5，所述阴极侧空气进气量化学计量比为2.5～3.5。

5.根据权利要求4所述的确定低温质子交换膜燃料电池部件中针孔大小的方法，其特征在于，在步骤s3中，所述阳极侧背压与所述阴极侧背压的差值为0.1～1.2bar。

6.根据权利要求5所述的确定低温质子交换膜燃料电池部件中针孔大小的方法，其特征在于，在步骤s2中，所述阳极侧与所述阴极侧的湿度为10％～100％。

7.根据权利要求6所述的确定低温质子交换膜燃料电池部件中针孔大小的方法，其特征在于，所述电路板为霍尔元件制造的pcb电路板，所述电路板全覆盖所述膜电极区域。

技术总结
本发明提供一种确定低温质子交换膜燃料电池部件中针孔大小的方法，将电路板紧贴在燃料电池双极板的阴极侧，采集所述燃料电池阴极侧的电流信号，启动所述燃料电池，使所述燃料电池处于开路或运行状态，达到预设的电流密度后，在所述燃料电池阳极侧和阴极侧分别施加背压，保证所述阳极侧背压大于所述阴极侧背压，控制所述燃料电池的温度，逐渐增大所述阳极侧与所述阴极侧背压的差值，直至检测出局部负值电流密度，记录出现所述负值电流密度时所述阳极侧与所述阴极侧背压差值，根据公式计算针孔大小。本发明的技术方案解决了现有技术中的无法在线检测膜电极针孔大小的问题。

技术研发人员：邵志刚,丁峰
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13