專利名稱：檢測(cè)膜電極組件中電缺陷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)膜電極組件中缺陷的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電化學(xué)電池例如燃料電池，通過反應(yīng)物與氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。電化學(xué)燃料電池中包含陽(yáng)極和陰極，在兩個(gè)電極之間具有質(zhì)子交換膜。將還原劑引至陽(yáng)極，氧化劑引至陰極。優(yōu)選的燃料電池使用氫氣(H2)作為還原劑或燃料源，氧氣(O2)作為氧化劑，所述氧氣或是純氣體形式或是與氮?dú)饣旌先缈諝庵幸粯?。在燃料電池工作過程中，與各電極最接近的導(dǎo)電元件傳導(dǎo)在燃料電池內(nèi)部發(fā)生氧化-還原反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的電子。
單個(gè)的燃料電池包括膜電極組件(MEA)，所述膜電極組件包括相應(yīng)地夾在陽(yáng)極電極和陰極電極之間的質(zhì)子交換膜(PEM)。理想的用作PEM的聚合物具有獨(dú)特的性質(zhì)，包括質(zhì)子透過性和電絕緣性。在實(shí)踐中，滿足這些要求的聚合物相對(duì)來說較脆并且很薄，一般厚度大約在10-125μm。當(dāng)把電極加到PEM上形成MEA時(shí)，PEM會(huì)處于相對(duì)高的應(yīng)力狀態(tài)，包括高溫和高壓。由于PEM膜是脆性的，需要對(duì)其進(jìn)行小心地操作和處理以最大程度地減少物理性的撕裂或者減薄。
附接到MEA內(nèi)PEM上的電極可包含用于促進(jìn)相應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)的催化劑微粒(例如貴金屬)以及導(dǎo)電顆粒例如碳。貴金屬和在制造MEA過程中所需的謹(jǐn)慎處理的成本很高。總的來說，與MEA相關(guān)聯(lián)的成分和組件常常會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生瑕疵或缺陷。因此，需要一種檢測(cè)這樣的瑕疵或缺陷的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種檢測(cè)具有電絕緣膜的組件中的缺陷的方法。該方法包括通過分別與膜的第一和第二表面相接觸的第一和第二導(dǎo)電基體在電絕緣膜上施加電壓。在一個(gè)優(yōu)選方面中，該方法進(jìn)一步包括通過檢測(cè)從至少一個(gè)第一或所述第二導(dǎo)電基體的表面發(fā)射出的紅外能量，檢測(cè)從膜中發(fā)射出的紅外輻射的強(qiáng)度級(jí)的變化，其中這種紅外輻射的強(qiáng)度級(jí)的變化可顯示出缺陷的存在和優(yōu)選顯示出缺陷的位置。
本發(fā)明進(jìn)一步的適用范圍從本說明書以下的詳細(xì)描述中變得很明顯。應(yīng)理解的是，本文中的詳細(xì)說明和所列舉的具體例子，在說明本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的同時(shí)，旨在僅用于舉例說明的目的，而并不作為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。


結(jié)合下面的詳細(xì)描述和附圖，可以更加充分地理解本發(fā)明，其中圖1為液體冷卻的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池的分解透視示意圖；圖2為沿示出了典型的膜電極組件(MEA)的圖1中直線2-2’，的橫斷面視圖；圖3為具有穿透PEM的導(dǎo)電催化劑顆粒的MEA的放大圖；圖4為沿示出了夾在擴(kuò)散介質(zhì)層和導(dǎo)電板之間的典型MEA的圖1中的線4-4’的橫斷面視圖；圖5為典型的紅外輻射測(cè)試和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的示意圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明的方法生成的示出了具有缺陷的MEA的熱成像掃描圖；圖7為另一種具有導(dǎo)電基體的典型紅外測(cè)試和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體布置示意圖；和圖8為在MEA上施加外部壓力的具有紅外輻射透明固體的紅外測(cè)試和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分的示意圖。
具體實(shí)施例方式
對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的以下說明在本質(zhì)上僅是舉例說明性質(zhì)的，而決不是旨在限制本發(fā)明及其應(yīng)用或用途。
一方面，本發(fā)明提供一種用于確定膜電極組件(MEA)中缺陷存在的方法。在一個(gè)優(yōu)選方面中，確定MEA中缺陷的位置。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，通過電源裝置在整個(gè)MEA上施加電位差，并使用熱檢測(cè)紅外輻射照相機(jī)檢測(cè)缺陷的存在，優(yōu)選的是檢測(cè)到缺陷的位置，從而檢測(cè)出電缺陷。在詳細(xì)描述本發(fā)明之前，有必要了解一下燃料電池的基本元件和可能產(chǎn)生缺陷的MEA部件。
參見圖1，所示為一個(gè)典型的膜電極組件(MEA)。圖1示出了一個(gè)單電池，具有膜電極組件(MEA)4的雙極PEM燃料電池堆2。該MEA與電池堆中的其它燃料電池(未示出)被導(dǎo)電的、液體冷卻的雙極板14、16分隔開。MEA4和雙極板14、16在不銹鋼夾板10和12之間堆疊在一起。導(dǎo)電雙極板14、16的至少一個(gè)工作面包含多個(gè)用于向MEA 4分配燃料和氧化劑氣體(即H2和O2)的凹槽和通道18、20。不導(dǎo)電的墊圈26、28在燃料電池堆多個(gè)部件之間提供密封和電絕緣。氣體可透過的碳/石墨擴(kuò)散層34、36壓靠在MEA4的電極表面30、32上。導(dǎo)電雙極板14和16分別壓靠在碳/石墨紙擴(kuò)散層34和36上。氧氣從儲(chǔ)罐46經(jīng)由適當(dāng)?shù)妮斔凸苈?2供應(yīng)到燃料電池堆的陰極側(cè)，同時(shí)氫氣從儲(chǔ)罐48經(jīng)由適當(dāng)?shù)妮斔凸苈?4供應(yīng)到燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)。另一種可選方式是，空氣可以從周圍環(huán)境供應(yīng)到陰極側(cè)，氫氣可以從甲醇或汽油重整器等供應(yīng)到陽(yáng)極。還設(shè)置用于MEA4的H2和O2/空氣側(cè)的排氣管路(未示出)。設(shè)置附加管路50、52用于向雙極/端部導(dǎo)電板14、16輸送液體冷卻劑。還設(shè)置用于從端板14、16排出冷卻劑的適當(dāng)?shù)墓苈?，但在圖中未示出。
參見圖2，MEA4中由多孔電極60形成燃料側(cè)的陽(yáng)極62和氧氣側(cè)的陰極64。陽(yáng)極62與陰極64通過一個(gè)質(zhì)子交換膜(PEM)66相互隔開。PEM66提供離子傳輸，更具體的是質(zhì)子(即H+)傳輸，以促進(jìn)燃料電池2中的反應(yīng)。
優(yōu)選的PEM膜66，由本領(lǐng)域公知的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物構(gòu)成。這種聚合物實(shí)際上是一種在其可使陽(yáng)離子遷移穿過聚合物的聚合結(jié)構(gòu)中包含離子團(tuán)的離子交換樹脂。一種廣義的陽(yáng)離子交換、質(zhì)子傳導(dǎo)的聚合物是所謂的磺酸陽(yáng)離子交換樹脂。這種類型的優(yōu)選樹脂是全氟磺酸聚合物電解質(zhì)，其中整個(gè)膜結(jié)構(gòu)具有離子交換性質(zhì)。一種適合用作PEM的商業(yè)化的磺化全氟碳化物質(zhì)子傳導(dǎo)膜是由E.I.DuPont de Nemours &Co.出售的商品名為NAFION的產(chǎn)品。本領(lǐng)域技術(shù)人員同樣可以選擇購(gòu)買其它質(zhì)子傳導(dǎo)膜。
如圖2所示，在形成MEA4的PEM膜56、58的相對(duì)面上的每個(gè)電極60包括一組相應(yīng)的非常細(xì)的碳顆粒70，所述碳顆粒具有支撐在碳顆粒70的內(nèi)表面和外表面上的非常細(xì)的催化劑顆粒72，以及與催化劑72和碳70顆?；旌显谝黄鸬馁|(zhì)子傳導(dǎo)材料74。陽(yáng)極催化劑顆粒72優(yōu)選促進(jìn)氫氣(H2)的分解，由此形成質(zhì)子和自由電子。質(zhì)子遷移穿過PEM66至陰極側(cè)64以發(fā)生反應(yīng)。陰極64中的催化劑顆粒72促進(jìn)質(zhì)子與氧氣之間的反應(yīng)，產(chǎn)生副產(chǎn)物水。優(yōu)選的催化劑材料同時(shí)作為陽(yáng)極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的催化劑，這樣的催化劑的例子是鉑及其合金。
催化劑顆粒72或擔(dān)載催化劑的碳顆粒76(圖2和3)分散在整個(gè)聚合物粘合劑或基體質(zhì)子傳導(dǎo)材料74中，其一般包含質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物和/或含氟聚合物。當(dāng)使用質(zhì)子傳導(dǎo)材料時(shí)，其一般包括與構(gòu)成PEM66相同的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物(例如NAFION)。含氟聚合物一般包括聚四氟乙烯(PTFE)，但是其它的例如FEP(氟化乙烯丙烯)、PFA(全氟烷氧化合物)和PVDF(聚偏氟乙烯)也可以使用。這些聚合物形成堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)以保持催化劑，良好地粘附到PEM上，有助于電池內(nèi)的水管理，由此增強(qiáng)電極的離子交換性能。
所述電極60在壓力下至少部分嵌入到膜66內(nèi)，為質(zhì)子提供了從MEA4的一側(cè)穿過傳導(dǎo)材料66、74至另一側(cè)的連續(xù)通路。質(zhì)子傳導(dǎo)材料74和催化劑72以及碳顆粒70的緊密混合為質(zhì)子提供向發(fā)生反應(yīng)的催化劑位置的連續(xù)通路。電極60通過本領(lǐng)域公知的多種方法被附接到PEM66上，所述方法例如，在2000年6月13日授權(quán)的美國(guó)專利US6074692、1993年12月21日授權(quán)的US5272017、或者1994年5月31日授權(quán)的US5316871中公開的方法。一種這樣的方法包括熱壓電極漿料使之與膜66基本成為一體。因此，一些催化碳顆粒76可以至少部分地設(shè)置在膜66中(參見圖3)。這些催化碳顆粒76是有磨蝕作用的，當(dāng)PEM66處于傳統(tǒng)處理?xiàng)l件的溫度和壓力時(shí)，PEM66的較脆弱的部分可能會(huì)部分地或者完全地被刺穿，分別如圖3中75、77所示。該MEA4的制造方法會(huì)促進(jìn)產(chǎn)生電缺陷，如果導(dǎo)電碳顆粒76突進(jìn)膜內(nèi)過深，如圖3所示，由此會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不希望的導(dǎo)電路徑，由此穿過PEM66在相對(duì)的電極62、64之間產(chǎn)生缺陷80。
大體上如圖1和4所示，電缺陷也可能在燃料電池2的后續(xù)組裝步驟中發(fā)生。在燃料電池2內(nèi)，MEA4被壓在由導(dǎo)電電極板14、16限定的兩個(gè)氣體擴(kuò)散層34、36之間。擴(kuò)散層34、36壓靠住MEA4的兩個(gè)電極面30、32，并作為(1)陽(yáng)極62和陰極64的主要的集流器，和(2)MEA4的機(jī)械支撐。擴(kuò)散介質(zhì)由形成擴(kuò)散層34、36的氣體可透過傳導(dǎo)材料制成。該擴(kuò)散介質(zhì)一般是多孔的，具有約80％-90％孔隙率，可以包括碳或石墨紙或布、細(xì)孔貴金屬篩等，穿過所述擴(kuò)散介質(zhì)氣體可以流動(dòng)以與位于脊部82下面的MEA4接觸，如同本領(lǐng)域所公知的。一種這樣的商業(yè)上可獲得的擴(kuò)散介質(zhì)為由托雷碳纖維美國(guó)有限公司(Toray Carbon Fibers America，Inc.)生產(chǎn)的石墨纖維紙。
很多導(dǎo)電擴(kuò)散介質(zhì)紙或布具有延伸的突起的粗糙表面，這主要是由于該材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)以及制造工藝導(dǎo)致的。這些突起可撞擊PEM66，且在燃料電池工作過程中當(dāng)施加壓力時(shí)會(huì)嵌入其中。擴(kuò)散層突起86導(dǎo)電，其長(zhǎng)度可以足以部分或者全部穿透膜66，在燃料電池2中產(chǎn)生潛在的電缺陷。因此，可能形成穿過膜66的導(dǎo)電路徑88或管道，造成短路?；蛘咴谕黄?6完全地穿過PEM相對(duì)側(cè)時(shí)產(chǎn)生，或者當(dāng)在MEA4相對(duì)側(cè)面62、64上的兩個(gè)突起90、92部分地穿過PEM 66并且相遇或者彼此非常接近時(shí)產(chǎn)生管道88。
在燃料電池2中，MEA 4壓靠在受到一對(duì)導(dǎo)電板14、16限制的一對(duì)擴(kuò)散層34、36上。每塊導(dǎo)電板14、16包含至少一個(gè)所謂的“流場(chǎng)”，用于在陽(yáng)極62和陰極64的表面上分配燃料電池的氣態(tài)反應(yīng)物(如H2和O2/空氣)。該流場(chǎng)包括多個(gè)脊部82，所述脊部與主要的集流器34、36相接合，并在其間限定出多條流動(dòng)通道18、20，氣態(tài)反應(yīng)物穿過所述通道在位于通道一端的供料歧管42、44和位于通道另一端的排放歧管50、52之間流動(dòng)。
在燃料電池的制造和組裝過程中，在最后組裝到燃料電池2中之前對(duì)容易出現(xiàn)缺陷的MEA4和擴(kuò)散層34、36進(jìn)行分析是有好處的。MEA4還可從組裝好的燃料電池2中拆下來用于進(jìn)行失效分析。本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例是，在將這部件組裝到燃料電池2中之前，測(cè)試夾在擴(kuò)散層34、36之間的MEA4。參見圖5，電源裝置90在MEA4上施加電壓。這里所說的“缺陷”主要是指以通過PEM66的短路形式存在的缺陷，其中導(dǎo)電材料部分或全部穿過電極的相對(duì)側(cè)，形成從其中通過的導(dǎo)電路徑。PEM66，當(dāng)在沒有缺陷或故障情況下的正常工作時(shí)，應(yīng)起到電介質(zhì)作用，所述電介質(zhì)具有幾乎無限大的電阻。任何流過MEA4的電流都會(huì)顯示出電缺陷的存在。如果確有電流流過MEA4，短路周圍的材料由于電阻特性而被加熱，產(chǎn)生熱點(diǎn)(hot spot)。在熱點(diǎn)產(chǎn)生的熱的強(qiáng)度顯示出缺陷80的嚴(yán)重程度。能夠識(shí)別出溫度等級(jí)的熱成像裝置92掃過整個(gè)MEA電極面或表面30、32。熱成像裝置92監(jiān)測(cè)到發(fā)出熱輻射的缺陷94的強(qiáng)度和位置，揭示出關(guān)于電缺陷存在的信息，尤其有助于對(duì)缺陷的嚴(yán)重程度和位置進(jìn)行分類。
根據(jù)本發(fā)明，通過電源裝置90將電位差或電壓施加到MEA4上，以檢測(cè)MEA4的介電容量。正極和負(fù)極導(dǎo)線96、98被附接到位于MEA4相對(duì)側(cè)面102、104上的導(dǎo)電元件上。這樣的元件可以包括電極60，然而，導(dǎo)電擴(kuò)散介質(zhì)層34、36是優(yōu)選的。導(dǎo)電擴(kuò)散介質(zhì)層34、36有利于在MEA電極面30、32的表面上電荷分布或電荷密度的均勻化，并將沿MEA面30、32的電位差減至最小。局部差異可能導(dǎo)致產(chǎn)生不精確的結(jié)果或者對(duì)PEM66的不經(jīng)意的破壞。當(dāng)把電壓施加到MEA4上時(shí)，不應(yīng)該超過PEM66的擊穿電壓，所述擊穿電壓意味著該材料對(duì)電荷達(dá)到一定的極限值的阻力。如果超過該擊穿電壓，材料發(fā)生不可逆的失效，導(dǎo)致電流從其中流過。擊穿電壓根據(jù)PEM66的構(gòu)造材料或者M(jìn)EA4內(nèi)的膜的材料的不同而改變。
工作燃料電池的理論電壓是1.23伏特，由H2和O2之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的理論能量計(jì)算得到。因此，在工作期間，達(dá)到燃料電池的名義電位。然而，在檢測(cè)可能的電缺陷的過程中，施加更高的電壓以揭示穿過PEM66的導(dǎo)電路徑可能是有利的。施加電壓的優(yōu)選方法是借助可操作以逐漸增大電壓的電源90。一般范圍是0-5V左右，最優(yōu)選0V-3V左右。在一般的測(cè)試條件下，不斷增大電壓直到在可辨別的熱圖像中觀察到與電缺陷相對(duì)應(yīng)的缺陷為止。
在MEA4內(nèi)的PEM66中存在的電缺陷的強(qiáng)度可發(fā)生變化。在電缺陷80所在的點(diǎn)或位置94上流過PEM66的電流與從MEA4中發(fā)出的熱量之間存在直接的相關(guān)性。導(dǎo)電路徑(80或88，取決于缺陷的來源)存在于PEM66內(nèi)，在此生成熱量并穿過電極60輻射到缺陷80、88的位置94的上面或者下面的MEA的電極表面30、32上。熱源的表面位置94表示在下面的缺陷80、88的位置。因此，為了定位而對(duì)MEA的表面30、32和熱強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)可揭示出與位于表面下的電缺陷的信息。
確定缺陷的存在和程度對(duì)于燃料電池制造過程中的質(zhì)量控制很重要。一些缺陷可能僅僅是最小限度的，并且不會(huì)對(duì)燃料電池環(huán)境中MEA的工作造成不利的影響，因此一些較小的缺陷對(duì)于燃料電池的運(yùn)行并不重要。其它的缺陷可能會(huì)妨礙組裝好的燃料電池中給定MEA的使用，而棄用MEA。因此，快速確定缺陷的存在、或優(yōu)選確定出缺陷的程度的能力在制造過程是很重要的。此外，辨別這樣的缺陷的位置在確定缺陷起源方面極具價(jià)值，由此可以在將制造附接有導(dǎo)電擴(kuò)散介質(zhì)層的MEA時(shí)提前將所述缺陷消除。這種方法還可以用于對(duì)拆開的燃料電池進(jìn)行事后分析，以識(shí)別MEA失效的來源。
本發(fā)明的進(jìn)一步的方面包括表面監(jiān)測(cè)，以確定缺陷的存在，優(yōu)選確定缺陷的位置，最優(yōu)選的是根據(jù)強(qiáng)度級(jí)檢測(cè)缺陷的程度。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，使用紅外輻射檢測(cè)裝置92，優(yōu)選為熱成像裝置，監(jiān)測(cè)MEA的表面30、32或者導(dǎo)電擴(kuò)散介質(zhì)層34、36的熱能輻射強(qiáng)度。MEA表面30、32的受熱區(qū)域發(fā)射出不同的能量波，包括紅外輻射。能夠檢測(cè)紅外輻射(IR)的裝置92使表面溫度與紅外輻射的強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)。優(yōu)選的紅外輻射(IR)檢測(cè)裝置92記錄紅外輻射的位置和強(qiáng)度級(jí)或量，將其轉(zhuǎn)化為沿掃描物體表面的溫度。紅外輻射包括電磁波頻譜中大約0.8×10-6到1×10-3米范圍內(nèi)的波長(zhǎng)。優(yōu)選的IR檢測(cè)裝置92為與對(duì)位置和強(qiáng)度相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的軟件程序兼容的熱成像紅外照相機(jī)。這種紅外照相機(jī)92可以購(gòu)買到，IR裝置的性質(zhì)因設(shè)備制造商的不同而不同。
一種優(yōu)選的IR熱成像照相機(jī)92是由FLIR SystemsTM制造的ThermCAMPM695。該裝置的檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)來自表面的光譜波長(zhǎng)范圍在7.5×10-6到13×10-6米的紅外輻射。該照相機(jī)測(cè)量的溫度范圍是從大約-40℃到大約1500℃，最優(yōu)選的檢測(cè)范圍為從大約-40℃到大約120℃。測(cè)量模式包括點(diǎn)、面、等溫線、譜線輪廓和溫度梯度。測(cè)量的精確度一般為+/-2℃或+/-2％。
各種可購(gòu)買到的軟件程序與熱紅外照相機(jī)92兼容，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的采集和分析功能(如FLIR SystemsTM的ThermaCAM ReporterSoftware)。這些軟件將由紅外照相機(jī)92獲得的增補(bǔ)信息編入程序，并且可以進(jìn)行例如溫度分析(如等溫線測(cè)量、譜線輪廓和面積直方圖)；存儲(chǔ)圖像的靜態(tài)圖像分析；和繪制溫度-時(shí)間曲線圖(如實(shí)時(shí)走向和分析)。這樣的軟件的使用加速了紅外照相機(jī)92的熱紅外掃描的計(jì)算。而且，這種軟件除了提供更精密的IR熱成像圖像的分析以外，還增強(qiáng)了發(fā)生缺陷的圖樣識(shí)別。
進(jìn)一步參見圖5，一種優(yōu)選的紅外測(cè)試系統(tǒng)或監(jiān)測(cè)設(shè)備110使用紅外照相機(jī)92掃描發(fā)出熱紅外輻射的表面。紅外照相機(jī)92聚焦在置于底座114上的臺(tái)架112上，并被固定到一個(gè)可調(diào)節(jié)的支撐臂116上，在臺(tái)架112和紅外照相機(jī)92之間的距離可調(diào)。要進(jìn)行掃描的物體被放置在臺(tái)架112上，其優(yōu)選由一種能夠使電荷分配到MEA34、36、62或64的導(dǎo)電部分上的導(dǎo)電材料構(gòu)成。一種絕緣結(jié)構(gòu)材料優(yōu)選用作底座114，以防止施加到臺(tái)架112或MEA4上的電荷被傳導(dǎo)到測(cè)試設(shè)備的其它區(qū)域。要進(jìn)行測(cè)試的MEA4(或附接有導(dǎo)電擴(kuò)散層34、36的MEA)被放置在處于紅外照相機(jī)92的掃描范圍116內(nèi)的臺(tái)架112上。一個(gè)具有正極導(dǎo)線96和負(fù)極導(dǎo)線98的電源裝置90(如電池或直流換流器)被附接到MEA的相對(duì)側(cè)面102、104的導(dǎo)電部分上，或者直接分別附接到電極60上；通過在MEA相對(duì)的側(cè)面102、104上附接的導(dǎo)電擴(kuò)散層34、36；或者通過在MEA102一側(cè)上的一個(gè)導(dǎo)電擴(kuò)散層34、36或電極60和在相對(duì)的側(cè)面104上的導(dǎo)電底座114。電源90被激活，在MEA4上施加電壓或電位差。紅外照相機(jī)92通過鏡頭118掃描MEA102、104的至少一個(gè)表面，優(yōu)選掃描面向上對(duì)著紅外照相機(jī)92的表面。當(dāng)存在電缺陷80時(shí)，MEA的任一側(cè)102、104都會(huì)顯示出來，因此可定位MEA4，使得或是陰極64側(cè)或陽(yáng)極62側(cè)朝向紅外照相機(jī)92。通過電極60在膜66上施加電位差，與特定的電極-電源線連接順序無關(guān)，因?yàn)閮蓚?cè)62、64都是導(dǎo)電的，并且只要電荷施加到MEA的相對(duì)側(cè)面102、104上，就可以在MEA4上施加電位以進(jìn)行測(cè)試。如前述，電缺陷80傳導(dǎo)電流通過MEA4的本體，并且在局部區(qū)域或位置94處產(chǎn)生熱。
紅外照相機(jī)92掃描MEA的表面30、32或擴(kuò)散介質(zhì)層34、36用于熱紅外輻射，并產(chǎn)生一個(gè)具有表面區(qū)域的IR或溫度梯度特征的輸出，一般公知為熱成像圖像。紅外照相機(jī)92產(chǎn)生帶有熱強(qiáng)度的熱圖像，所述熱強(qiáng)度被轉(zhuǎn)化為灰度級(jí)或色彩濃淡，以產(chǎn)生具有熱強(qiáng)度變化的可視圖像。這種圖像的一個(gè)例子如圖6所示，其中主要在MEA4的無缺陷區(qū)域124中間存在一個(gè)高強(qiáng)度的缺陷或主要缺陷120和較小強(qiáng)度的或次要缺陷122。因此，缺陷的范圍或程度相對(duì)來說是可確定的。這種圖像可以用x軸和y軸來進(jìn)行描述，所述x軸和y軸對(duì)應(yīng)于MEA的掃描表面30、32或者擴(kuò)散介質(zhì)層34、36的x軸和y軸，圖像的x軸和y軸構(gòu)成一個(gè)二維的格網(wǎng)。一個(gè)熱點(diǎn)的缺陷，例如120或122，具有至少一個(gè)限定缺陷位置的x和y的坐標(biāo)值。因此，主要缺陷120或次要缺陷122可以通過肉眼觀察熱圖像或者通過分析x和y坐標(biāo)沿著被掃描的表面進(jìn)行定位。
另一種可選方式是，也可以生成熱剖面圖，其為具有x、y和z軸的三維圖，其中x和y軸對(duì)應(yīng)于MEA被掃描的表面30、32或擴(kuò)散介質(zhì)層34、36的長(zhǎng)度和寬度。z軸顯示的是被掃描表面的熱強(qiáng)度，其中由主要缺陷或次要缺陷形成的熱點(diǎn)將會(huì)具有正z值，并且由此大于周圍的不從表面發(fā)射熱量的無缺陷區(qū)域124的z值。因此，在剖面圖中至少一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的x、y和z值能夠揭示出沿著被掃描表面所處的位置以及強(qiáng)度。熱剖面圖可以由各種計(jì)算機(jī)軟件程序產(chǎn)生，所述計(jì)算機(jī)軟件程序基于輸入的變量，例如x、y和z生成參量的三維圖像。紅外照相機(jī)92一般包含一個(gè)內(nèi)部CPU(中央處理器或計(jì)算機(jī))用來處理數(shù)據(jù)產(chǎn)生輸出圖像。進(jìn)一步的，紅外照相機(jī)92選擇性地傳送輸出數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)詳細(xì)地說明從所述區(qū)域進(jìn)行的IR掃描中得到的數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步地在一個(gè)外部處理單元(即CPU)或計(jì)算機(jī)中進(jìn)行操作處理。傳送到CPU的輸出數(shù)據(jù)可以由上述的軟件程序進(jìn)行處理和分析，以提供與熱成像相關(guān)的更加具體的信息。進(jìn)一步的，可以通過變量或圖樣分析對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確定熱點(diǎn)的位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，監(jiān)測(cè)設(shè)備110適合于涉及MEA4自動(dòng)化的傳輸?shù)闹圃爝^程。在這種情況下，臺(tái)架112可適合于把MEA4輸送到位于紅外照相機(jī)92下面的掃描區(qū)域116內(nèi)的適當(dāng)位置處的自動(dòng)化的組裝工藝。如果需要，MEA組件4可被放置在一個(gè)獨(dú)立的絕緣底座114上。通過從電源90把導(dǎo)線96、98與MEA的相對(duì)的側(cè)面102、104相連接，把電壓施加到MEA4上。由紅外照相機(jī)92進(jìn)行的IR掃描提供一種圖像，用于解釋以確定MEA4中缺陷80的存在。因此，本發(fā)明的方法很容易適用于自動(dòng)化的制造工藝。
監(jiān)測(cè)設(shè)備110檢測(cè)正在進(jìn)行測(cè)試的MEA4內(nèi)的缺陷的存在和/或程度。其它形式的熱監(jiān)測(cè)設(shè)備和傳感器是可以預(yù)期的并且可以互換的使用，來確定在MEA的表面30、32上的溫度變化，例如熱敏紙等。然而，紅外照相機(jī)92已被證明是目前能夠買到的最為精確的和可靠的熱成像設(shè)備。
如圖7所示的本發(fā)明另一種可選實(shí)施例包括測(cè)試沒有附接任何擴(kuò)散層的MEA4。若僅是要對(duì)帶有電極60和PEM66的MEA4進(jìn)行評(píng)估，那么這種測(cè)試情況是理想的。如果有必要僅測(cè)試MEA4，那么一個(gè)高導(dǎo)電性表面130可設(shè)置在MEA4的每個(gè)電極面30、32上以促進(jìn)電極60上和MEA4上均勻的電荷分布或密度。優(yōu)選的導(dǎo)電表面130包括一種不阻礙必須由IR掃描裝置進(jìn)行檢測(cè)的從MEA發(fā)射的紅外輻射的材料，例如類似碳或石墨紙或布的導(dǎo)電材料。
如圖8所示的本發(fā)明另一種優(yōu)選實(shí)施例包括測(cè)試附接有擴(kuò)散介質(zhì)層34、36的并且至少一個(gè)導(dǎo)電擴(kuò)散層34、36受到固體表面140壓制的MEA4的完整性。優(yōu)選地，固體140為剛性的并對(duì)于紅外輻射來說是透明的，以使得紅外照相機(jī)92的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)不受阻礙。有時(shí)，在測(cè)試過程中，附接到導(dǎo)電擴(kuò)散層34、36上的MEA4發(fā)生物理分解的問題，使得擴(kuò)散層34、36中的一個(gè)或兩個(gè)與MEA4分離。從MEA4上分離出來的布或紙還去除了MEA4上的導(dǎo)電突起86，其消除或減少了電缺陷80。然而，當(dāng)MEA4和擴(kuò)散層34、36隨后組合到燃料電池2中時(shí)，導(dǎo)電突起86重新進(jìn)入MEA4并造成短路。因此，在一些測(cè)試情況下，有必要對(duì)MEA4和擴(kuò)散介質(zhì)層34、36施加壓力，以保證能夠檢測(cè)到所有缺陷80。一種在MEA4和擴(kuò)散介質(zhì)層34、36組件上施加壓力的優(yōu)選方法是通過向至少一側(cè)施加外部壓力144，將一個(gè)對(duì)紅外輻射透明的固體在一個(gè)側(cè)面142上壓入MEA中。如圖所示，僅在MEA和擴(kuò)散介質(zhì)層的一個(gè)側(cè)面上需要該固體，這是由于臺(tái)架和底座位于下面，并包括擴(kuò)散介質(zhì)層。另一種可選構(gòu)造包括有兩個(gè)固體板140壓靠到MEA的兩個(gè)表面102、104上。這僅僅是一種在MEA4上施加壓力的方法，或者如果使用雙照相機(jī)系統(tǒng)，則有必要在兩個(gè)側(cè)面上都有對(duì)紅外輻射透明的固體，以掃描MEA4的每個(gè)側(cè)面。這種透明固體的一個(gè)例子是具有1/2”左右厚度的玻璃。也可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員可獲得的各種材料，在照相機(jī)能夠檢測(cè)的頻率/波長(zhǎng)范圍內(nèi)，所述材料或玻璃是透明的。一般的波長(zhǎng)范圍是7毫米(微米)到13微米，這要取決于照相機(jī)。固體140必須承受的優(yōu)選壓力范圍是在0和大約80p.s.i.之間。這種可選實(shí)施方式可以用在前述的所有檢測(cè)方法中。
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)發(fā)生在MEA4中的缺陷、電性質(zhì)的方法。更具體的，這些缺陷經(jīng)常在附接導(dǎo)電擴(kuò)散層34、36的MEA4內(nèi)產(chǎn)生。首先，MEA4(或附接擴(kuò)散層34、36的MEA4)被放置在熱成像掃描裝置92下面。接著，通過電源90將電壓差或電壓施加到MEA4上。使用熱成像掃描裝置92掃描MEA表面30、32中的至少一個(gè)，用于生成熱圖像。進(jìn)一步的，熱成像掃描裝置92生成表面30、32的熱圖像，所述熱圖像示出了位置94和熱強(qiáng)度的變化。評(píng)估MEA4的熱強(qiáng)度，與沿表面30、32的周圍區(qū)域相比，在一定的區(qū)域中熱強(qiáng)度相對(duì)較大，表明在MEA4中存在電缺陷80。如果缺陷80存在于MEA4上，將其隔離出來進(jìn)行進(jìn)一步的分析。如果MEA4沒有缺陷或者缺陷的嚴(yán)重程度不會(huì)對(duì)其功能造成影響，則來可以將其組裝到燃料電池2中。
目前進(jìn)行質(zhì)量控制的方法屬于通過穿過聚合物膜中的孔的氣體的物理滲透進(jìn)行的密閉性檢查，但是這些方法不能提供有關(guān)MEA中電缺陷的信息。為了保證質(zhì)量和質(zhì)量控制，需要有一種能夠識(shí)別出發(fā)生在燃料電池的MEA內(nèi)的電缺陷的強(qiáng)度和/或位置的非插入式方法。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的用途，其提供一種容易的用于評(píng)估燃料電池中最昂貴的和有故障傾向的部件MEA的方法。MEA內(nèi)的電缺陷已經(jīng)證明是本領(lǐng)域中廣泛存在的問題，本發(fā)明提供了一種快速、有效和非插入式的檢測(cè)這種缺陷的方法，該方法易適用于進(jìn)行連續(xù)的制造安裝和質(zhì)量控制分析。
本發(fā)明的說明在本質(zhì)上僅為舉例說明性質(zhì)的，由此，不偏離本發(fā)明要點(diǎn)的變型也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這種變型不被視為偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種確定具有質(zhì)子交換膜(PEM)和設(shè)置在PEM相對(duì)的表面上的電極的膜電極組件(MEA)中存在的缺陷的方法，包括在膜電極組件上施加電位差，并監(jiān)測(cè)從至少一個(gè)所述電極的表面上發(fā)出的紅外輻射。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中膜電極組件包括在所述電極的各個(gè)遠(yuǎn)離質(zhì)子交換膜的側(cè)面上的導(dǎo)電氣體擴(kuò)散介質(zhì)，并且所述電位差被施加在所述擴(kuò)散介質(zhì)上，在至少一個(gè)所述擴(kuò)散介質(zhì)的表面上監(jiān)測(cè)所述紅外輻射。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中膜電極組件設(shè)置在通常為平面的元件之間，其中至少一個(gè)元件對(duì)紅外輻射是透明的。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述監(jiān)測(cè)是由能夠生成熱圖像的紅外輻射照相機(jī)來完成的。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過檢測(cè)波長(zhǎng)范圍在大約7μm到大約13μm內(nèi)的紅外輻射進(jìn)行所述監(jiān)測(cè)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過檢測(cè)范圍在大約-40℃到大約120℃內(nèi)的溫度進(jìn)行所述監(jiān)測(cè)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電位差由一個(gè)從0到大約5伏范圍內(nèi)的電源提供。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中從所述膜電極組件表面發(fā)射的所述紅外輻射的強(qiáng)度級(jí)的變化反映出缺陷所在的位置。
9.一種檢測(cè)膜中的任意缺陷的方法，所述膜除缺陷以外的部分為電絕緣性的，所述方法包括通過分別接觸膜的第一和第二表面的第一和第二導(dǎo)電基體，在膜上施加電壓；通過檢測(cè)從至少一個(gè)所述第一或第二導(dǎo)電基體的表面發(fā)射出的熱能，檢測(cè)由膜發(fā)射出的熱能的強(qiáng)度級(jí)的任意變化，其中強(qiáng)度級(jí)的所述變化反映出任意缺陷的存在。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述檢測(cè)是通過檢測(cè)從膜發(fā)射出來的紅外輻射來進(jìn)行的。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中膜被設(shè)置在通常為平面的元件之間，其中至少一個(gè)元件對(duì)紅外輻射是透明的。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述檢測(cè)是通過能夠生成熱圖像的紅外輻射照相機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中通過檢測(cè)范圍在大約-40℃到大約120℃內(nèi)的溫度進(jìn)行所述檢測(cè)。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述電壓由一個(gè)從0到大約5伏范圍內(nèi)的電源提供。
15.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述強(qiáng)度級(jí)的變化反映出任意缺陷的位置。
16.一種檢測(cè)和定位在膜內(nèi)的缺陷的方法，該膜除了存在缺陷的位置以外是電絕緣性的，該膜具有分別與第一和第二電極層接觸的第一和第二表面，形成一個(gè)膜電極組件，該方法包括在第一和第二電極層上施加電位差，其中在膜中不存在缺陷時(shí)，所述電位差被保持在膜上，而在存在缺陷的情況下，有電流流過第一和第二電極層之間時(shí)，所述電位差減小，所述電流在膜的第一和第二表面中的至少一個(gè)上產(chǎn)生熱點(diǎn)；以及沿第一和第二電極層中的至少一個(gè)的表面，確定任意熱點(diǎn)的位置。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中導(dǎo)電氣體擴(kuò)散介質(zhì)層設(shè)置在第一和第二電極層的遠(yuǎn)離膜的各個(gè)側(cè)面上，所述電位差施加在所述擴(kuò)散介質(zhì)層上，所述熱點(diǎn)被確定在至少一個(gè)所述擴(kuò)散介質(zhì)層的表面上。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中沿第一和第二電極中至少一個(gè)的所述表面確定任意熱點(diǎn)的位置，是通過生成熱圖像來實(shí)現(xiàn)的，其包括構(gòu)成二維網(wǎng)格的x軸和y軸；并且其中任意熱點(diǎn)具有在所述網(wǎng)格內(nèi)的至少一個(gè)具有x值和y值的坐標(biāo)，所述至少一個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成沿所述表面的缺陷的位置。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中沿第一和第二電極層中至少一個(gè)的所述表面確定任意熱點(diǎn)的位置，是通過生成熱剖面圖來實(shí)現(xiàn)的，其包括具有x、y和z軸的三維圖，其中所述x和y軸對(duì)應(yīng)于所述表面的長(zhǎng)度和寬度，所述z軸顯示熱強(qiáng)度級(jí)；并且其中任意熱點(diǎn)的位置對(duì)應(yīng)于所述圖內(nèi)至少一個(gè)具有x、y和z值的坐標(biāo)，其中所述z值具有一個(gè)熱強(qiáng)度，所述至少一個(gè)坐標(biāo)反映出沿所述表面的缺陷的位置和強(qiáng)度。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中確定任意熱點(diǎn)的位置是通過一個(gè)處理器單元對(duì)紅外輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行圖樣分析來實(shí)現(xiàn)的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)電化學(xué)燃料電池中膜電極組件(4)中的缺陷的方法和系統(tǒng)，更具體而言涉及檢測(cè)膜電極組件(4)中質(zhì)子交換膜內(nèi)存在的缺陷(80)，所述膜電極組件可選擇地夾在導(dǎo)電擴(kuò)散介質(zhì)層(34，36)之間，在整個(gè)膜(4)上施加電壓，并且缺陷(80)的存在，優(yōu)選的是缺陷(80)的位置通過監(jiān)測(cè)從膜電極組件(4)的一個(gè)表面發(fā)射的紅外輻射的強(qiáng)度變化而得以確定。另一種優(yōu)選的實(shí)施方式包括用至少一個(gè)對(duì)紅外輻射透明的剛性固體夾住膜電極組件(4)和導(dǎo)電擴(kuò)散(34，36)。
文檔編號(hào)G01T1/16GK1695071SQ03824654
公開日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2003年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月6日
發(fā)明者M·W·墨菲, B·A·利泰爾 申請(qǐng)人:通用汽車公司