一种快速检测膜电极传质与排水是否正常的方法
阅读说明：本技术 一种快速检测膜电极传质与排水是否正常的方法 (Method for rapidly detecting whether membrane electrode mass transfer and drainage are normal ) 是由 胡里清 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种膜电极性能的检测方法,具体涉及一种快速检测膜电极在整个有效面积范围内的传质与排水是否正常的方法,包括以下步骤：(1)将单电池的正负极接入恒定电压输出,测出电流强度I-(0)；(2)将上述单电池的膜电极取出,在其两侧表面对应位置遮盖绝缘薄膜,然后重新组装成单电池,重新接入上述恒定电压输出,测出电流强度I-(1)；(3)膜电极单侧表面总有效面积记为S-(0),遮盖该侧表面的绝缘薄膜的面积记为S-(1)；(4)当I-(0)/S-(0)＝A-(0),I-(1)/(S-(0)-S-(1))＝A-(1),当A-(0)与A-(1)的比值差异≤10％时,表明燃料电池膜电极从整体上来说传质、排水正常,否则,不正常,从而导致膜电极电流密度分布不均匀。与现有技术相比,通过本发明的检测方法可以快速、简便地判断燃料电池膜电极(MEA)在单电池中传质与排水是否正常。(The invention relates to a method for detecting the performance of a membrane electrode, in particular to a method for rapidly detecting whether mass transfer and drainage of the membrane electrode are normal in the whole effective area range, which comprises the following steps: (1) connecting the positive and negative electrodes of the single battery to constant voltage for output, and measuring current intensity I 0 (ii) a (2) Taking out the membrane electrode of the single cell, covering the insulating films at the corresponding positions on the two side surfaces, then reassembling into the single cell, switching in the constant voltage output again, and measuring the current intensity I 1 (ii) a (3) The total effective area of the one-side surface of the membrane electrode is denoted as S 0 And the area of the insulating film covering the side surface is denoted as S 1 (ii) a (4) When I is 0 /S 0 ＝A 0 ，I 1 /(S 0 ‑S 1 )＝A 1 When A is 0 And A 1 When the difference of the ratios is less than or equal to 10 percent, the mass transfer and the water discharge of the membrane electrode of the fuel cell are normal as a whole, otherwise, the mass transfer and the water discharge are abnormal, so that the current density distribution of the membrane electrode is not uniform. Compared with the prior art, the inventionThe clear detection method can quickly and simply judge whether the mass transfer and the water discharge of the fuel cell Membrane Electrode (MEA) in a single cell are normal.)
技术领域
本发明涉及一种膜电极性能的检测方法，具体涉及一种快速检测膜电极传质与排水是否正常的方法。
背景技术
膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)是质子交换膜燃料电池发生电化学反应的场所，是燃料电池技术的核心环节。膜电极是质子交换膜燃料电池的“芯片”，其成本占燃料电池电堆总成本60％以上。
通常生产制备得的膜电极(MEA)或CCM在单电池或燃料电池短堆中进行性能测试评价，主要涉及电流、电压、极化曲线、空气流量计量比对膜电极性能的影响，电流-电压放电曲线及性能曲线的影响，氢气流量计量比对膜电极的放电曲线，电流-电压性能曲线的影响，排水是否正常等。其中双极板上排水是否正常会影响到空气、氢气在单电池膜电极中的传质和扩散，进而会影响到燃料电池的工作性能和工作效率。传质包括了空气中的氧气及时扩散、渗透入膜电极中发生电化学反应，还包括氢气及时扩散、渗透入膜电极中发生电化学反应。这种渗透、扩散的过程受碳扩散层材料的厚度，排水是否正常等多种因素的影响。
燃料电池膜电极测试可以衡量膜电极的输出性能，同时借助一些电化学测试手段还可以对膜电极的工作状态进行表征。常见的膜电极测试方法主要有极化曲线测试、线性电位扫描测试、交流阻抗测试等，可以对膜电极的发电性能、催化剂的活性面积、膜电极氢渗透量、膜电极接触阻抗等进行考察。当膜电极中产生并聚集了大量的水液时，空气和氢气的渗透、扩散及传质会受影响，进而影响燃料电池和单电池的各项性能，该影响可以从膜电极的电流-电压极化曲线反应出来。目前现有技术中有一种测试膜电极电流密度分布情况的技术，该技术本质上是把膜电极有效面积分割成许多份均等份，并在同样测试条件下把许多均等份的膜电极制成各独立的小型电池，单独连接正负极，并单独测试放电结果，但这种技术需要设计并制作测试专门设备，测量等方面非常繁杂，而且太过精细后成本太高。
发明内容
本发明的目的就是提供一种通过检测膜电极整体上的电流密度分布是否均匀来快速检测膜电极传质与排水是否正常的方法，以解决现有技术中难以判断膜电极性能的传质与排水是否正常，实现了可以快速简便的检测膜电极的传质与排水情况。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种快速检测膜电极传质与排水是否正常的方法，包括以下步骤：
(1)将单电池的正负极接入恒定电压放电两端，测出单电池在恒定电压下放电的电流强度I0；
(2)将上述单电池的膜电极取出，在其两侧表面对应位置遮盖绝缘薄膜，然后组装成单电池，重新接入上述恒定电压放电两端，测出单电池的电流强度I1；
(3)膜电极单侧表面总有效面积记为S0，遮盖该侧表面的绝缘薄膜的面积记为S1；
(4)I0/S0＝A0，I1/(S0-S1)＝A1，当A0与A1的比值差异≤10％时，表明燃料电池膜电极从整体上来说传质、排水正常，否则，不正常，通过检测膜电极整体上的电流密度分布是否均匀来判断膜电极传质与排水是否正常的方法。
当A0与A1的比值差异>10％以上时表明膜电极从整体上说有区域的传质排水异常，从而导致膜电极电流密度分布不均匀，需要更换膜电极。
其中，I0/S0是指正常未遮盖的膜电极在指定恒电压放电的电流强度I0与膜电极总有效面积S0(平方厘米)的比值，记为A0；
I1/(S0-S1)是指膜电极两侧表面对应位置遮盖绝缘薄膜后的在相同运行条件(指定恒电压放电，相同氢气、空气计量比、温度等)下放电的I1/(S0-S1)比值。
优选地，所述的绝缘薄膜的面积为膜电极的有效面积的1/5～2/3。
优选地，所述的绝缘薄膜的面积为膜电极的有效面积的1/3～2/3。
优选地，所述的绝缘薄膜的材质为绝缘、且不透水不透气的材质。
优选地，所述的绝缘薄膜的材质为聚酯或聚酰亚胺或聚四氟乙烯。
优选地，所述的绝缘薄膜的厚度为1～10μm。
优选地，所述的绝缘薄膜的厚度为2～6μm。
优选地，调整绝缘薄膜遮盖膜电极的位置，测定不同位置下膜电极的电流强度，判断膜电极各部位的传质与排水是否正常。
优选地，重复步骤(2)～(4)3～5次，均判定传质与排水正常即为正常。
优选地，当判定传质与排水正常时，采用不同面积的绝缘薄膜，遮盖膜电极的不同部位，判定整张膜电极的传质与排水是否正常。
本发明的工作原理为：
通过检测膜电极整体上的电流密度分布是否均匀来判断膜电极传质与排水是否正常的方法，首先在一定运行条件下测定在未遮盖绝缘薄膜的情况下，膜电极的电流强度，记为初始值I0；将已知面积的绝缘薄膜遮盖于膜电极上、下两表面相应位置，在与前次测定相同运行条件下测定该状态下膜电极的电流强度，记为实验值I1。当正常未遮盖的膜电极I0/S0(在指定恒电压放电的电流强度I0与膜电极总有效面积S0(平方厘米)的比值记为A0)，A0/S0与膜电极两侧表面对应位置遮盖绝缘薄膜后的在相同运行条件(指定恒电压放电，相同氢气、空气计量比、温度等)下放电的I1/(S0-S1)比值相同时，表明燃料电池膜电极传质、排水正常，如I0/S0<I1/(S0-S1)，且比值差异>10％以上时表明膜电极传质、排水异常。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、通过本发明的检测方法可以快速、简便地判断燃料电池膜电极(MEA)在单电池中传质与排水是否正常。
2、本发明的检测方法仅需要测定恒定电压下的电流强度，并通过简单计算即可得到结果，适用性强，既可以接入计算机程序和控制装置实现自动检测，也可以在缺乏自动设备时或必要时进行人工计算，通过检测膜电极整体上的电流密度分布是否均匀来判断膜电极传质与排水是否正常。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
一种快速检测膜电极传质与排水是否正常的方法，包括以下步骤：
(1)将单电池的正负极接入恒定电压放电两端，测出单电池在恒定电压下放电的电流强度I0；
(2)将上述单电池的膜电极取出，在其两侧表面对应位置遮盖绝缘薄膜，然后组装成单电池，重新接入上述恒定电压放电两端，测出单电池的电流强度I1；
(3)膜电极单侧表面总有效面积记为S0，遮盖该侧表面的绝缘薄膜的面积记为S1；
(4)I0/S0＝A0，I1/(S0-S1)＝A1，当A0与A1的比值差异≤10％时，表明燃料电池膜电极传质、排水正常，否则，不正常。当A0与A1的比值差异>10％以上时表明膜电极传质排水异常，需要更换膜电极。
其中，绝缘薄膜的面积为膜电极面积的1/5～2/3，更具体地，为1/3～2/3。绝缘薄膜所用的材质为惰性、绝缘、且不透水不透气、无害、稳定性好的材质，更具体地，为聚酯(PET)或聚酰亚胺(PI)或聚四氟乙烯(PTFE)。绝缘薄膜的厚度为1～10μm，更具体地，为2～6μm。绝缘薄膜通过少量厚度为1μm的双面胶带粘贴于膜电极的正、反两侧，且遮盖的面积、形状和位置需保持相同。
本检测方法还需要调整绝缘薄膜遮盖膜电极的位置，以测定不同位置下膜电极的电流强度，判断膜电极各部位的传质与排水是否正常；或者采用不同面积的绝缘薄膜，遮盖膜电极的不同部位，判定整张膜电极的传质与排水是否正常。整个检测过程需重续步骤(2)～(4)3～5次，当判定各位置传质与排水正常即视为整张膜传质与排水正常。
实施例1
对有效面积S0为300cm2的车用膜电极进行测定，首先测定在未遮盖绝缘薄膜时膜电极的电流强度：将该膜电极组装为单电池，并接入0.6V电压两端，设定氢气计量比1.2，空气计量比2.5，运行温度65℃，氢气与空气相对湿度为60％的条件下运行，测得电流密度为1A/cm2，电流强度I0为300A。
将厚度为2μm，遮盖面积S1为150cm2的聚酯绝缘薄膜依次遮盖于膜电极上部与下部有效面积上，在相同运行条件下测得，电流强度I1为151A，
A0＝I0/S0＝1A/cm2，A1＝I1/(S0-S1)＝1.01A/cm2，可以看出，A0/S0与A1/(S0-S1)基本相等，可以说明该上、下两部分膜电极传质与排水正常，属于有效发电。
实施例2
采用与实施例1相同的车用膜电极(有效面积S0为300cm2)，在与实施例1相同的运行条件下测试得到在未遮盖绝缘薄膜时的电流强度I0为300A，A0＝I0/S0＝1A/cm2。
将厚度为6μm，遮盖面积S1为150cm2的聚酰亚胺绝缘薄膜依次遮盖于膜电极的上部与下部有效面积上，经测定，电流强度I1为130A，A1＝I1/(S0-S1)＝0.87A/cm2；取出膜电极，移动绝缘薄膜至膜电极的上部与下部有效面积上，遮盖面积S2仍为150cm2经测定，电流强度I2为170A，A2＝I2/(S0-S2)＝1.13A/cm2。A1和A2与A0的比值均超过了10％，可以说明该膜电极左半部分的上、下两部分膜电极传质与排水不正常。
可以说明该膜电极在某些区域的传质与排水不正常。
实施例3
采用与实施例1相同的车用膜电极(有效面积S0为300cm2)，在与实施例1相同的运行条件下测试得到在未遮盖绝缘薄膜时的电流强度I0为300A，A0＝I0/S0＝1A/cm2。
将厚度为3μm，遮盖面积S1为100cm2的聚四氟乙烯绝缘薄膜依次遮盖于膜电极上部与下部有效面积上，经测定，电流强度I1为204A，A1＝I1/(S0-S1)＝1.02A/cm2；A0与A1的比值差异≤10％，可以说明该部分膜电极传质与排水正常，属于有效发电。取出膜电极，移除该位置绝缘薄膜并改变绝缘薄膜的位置，在该膜电极未测定有效面积处另外测定3次，直至保证整张膜电极都经过测定，测定的电流强度Ix的结果分别为204A(x＝1)、201A(x＝2)、213A(x＝3)和210A(x＝4)，电流密度分别为1.02A/cm2、1.01A/cm2、1.07A/cm2、1.05A/cm2可以看出与A0的比值均小于10％，可以说明整张膜电极传质与排水正常，属于有效发电。
实施例4
采用与实施例1相同的车用膜电极(有效面积S0为300cm2)，在与实施例1相同的运行条件下测试得到在未遮盖绝缘薄膜时的电流强度I0为300A，A0＝I0/S0＝1A/cm2。
将厚度为7μm，遮盖面积S1为60cm2的聚酯绝缘薄膜依次遮盖于膜电极上部与下部有效面积上，经测定，电流强度I1为250A，A1＝I1/(S0-S1)＝1.04A/cm2；，与A0的比值<0.1，可以说明该部分膜电极传质与排水正常，属于有效发电。取出膜电极，移除该位置绝缘薄膜并改变绝缘薄膜的面积和位置，在该膜电极未测定有效面积处另外测定4次，直至保证整张膜电极都经过测定，测定所用的绝缘薄膜的遮盖面积Sx分别为60cm2(x＝1)、100cm2(x＝2)、150cm2(x＝3)、180cm2(x＝4)和200cm2(x＝5)，测定的电流强度Ix的结果分别为250A(x＝1)、208A(x＝2)、151A(x＝3)、129A(x＝4)和105A(x＝5)，电流密度分别为1.04A/cm2、1.04A/cm2、1.01A/cm2、1.08A/cm2、1.05A/cm2可以看出与A0的比值均小于10％，可以说明整张膜电极传质与排水正常，属于有效发电。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
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