专利名称：检测膜电极组件中电缺陷的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测膜电极组件中缺陷的方法和系统。
背景技术：
电化学电池例如燃料电池，通过反应物与氧化剂的电化学反应发电。电化学燃料电池中包含阳极和阴极，在两个电极之间具有质子交换膜。将还原剂引至阳极，氧化剂引至阴极。优选的燃料电池使用氢气(H2)作为还原剂或燃料源，氧气(O2)作为氧化剂，所述氧气或是纯气体形式或是与氮气混合如空气中一样。在燃料电池工作过程中，与各电极最接近的导电元件传导在燃料电池内部发生氧化-还原反应过程中所产生的电子。
单个的燃料电池包括膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件包括相应地夹在阳极电极和阴极电极之间的质子交换膜(PEM)。理想的用作PEM的聚合物具有独特的性质，包括质子透过性和电绝缘性。在实践中，满足这些要求的聚合物相对来说较脆并且很�。话愫穸却笤荚�10-125μm。当把电极加到PEM上形成MEA时，PEM会处于相对高的应力状态，包括高温和高压。由于PEM膜是脆性的，需要对其进行小心地操作和处理以最大程度地减少物理性的撕裂或者减薄。
附接到MEA内PEM上的电极可包含用于促进相应的电化学反应的催化剂微粒(例如贵金属)以及导电颗粒例如碳。贵金属和在制造MEA过程中所需的谨慎处理的成本很高。总的来说，与MEA相关联的成分和组件常常会导致产生瑕疵或缺陷。因此，需要一种检测这样的瑕疵或缺陷的方法。
发明内容
本发明提供一种检测具有电绝缘膜的组件中的缺陷的方法。该方法包括通过分别与膜的第一和第二表面相接触的第一和第二导电基体在电绝缘膜上施加电压。在一个优选方面中，该方法进一步包括通过检测从至少一个第一或所述第二导电基体的表面发射出的红外能量，检测从膜中发射出的红外辐射的强度级的变化，其中这种红外辐射的强度级的变化可显示出缺陷的存在和优选显示出缺陷的位置。
本发明进一步的适用范围从本说明书以下的详细描述中变得很明显。应理解的是，本文中的详细说明和所列举的具体例子，在说明本发明优选实施方式的同时，旨在仅用于举例说明的目的，而并不作为对本发明范围的限制。
结合下面的详细描述和附图，可以更加充分地理解本发明，其中图1为液体冷却的质子交换膜(PEM)燃料电池的分解透视示意图；图2为沿示出了典型的膜电极组件(MEA)的图1中直线2-2’，的横断面视图；图3为具有穿透PEM的导电催化剂颗粒的MEA的放大图；图4为沿示出了夹在扩散介质层和导电板之间的典型MEA的图1中的线4-4’的横断面视图；图5为典型的红外辐射测试和监测系统的示意图；图6为根据本发明的方法生成的示出了具有缺陷的MEA的热成像扫描图；图7为另一种具有导电基体的典型红外测试和监测系统的总体布置示意图；和图8为在MEA上施加外部压力的具有红外辐射透明固体的红外测试和监测系统的一部分的示意图。
具体实施例方式
对优选实施例的以下说明在本质上仅是举例说明性质的，而决不是旨在限制本发明及其应用或用途。
一方面，本发明提供一种用于确定膜电极组件(MEA)中缺陷存在的方法。在一个优选方面中，确定MEA中缺陷的位置。在本发明的一个优选实施例中，通过电源装置在整个MEA上施加电位差，并使用热检测红外辐射照相机检测缺陷的存在，优选的是检测到缺陷的位置，从而检测出电缺陷。在详细描述本发明之前，有必要了解一下燃料电池的基本元件和可能产生缺陷的MEA部件。
参见图1，所示为一个典型的膜电极组件(MEA)。图1示出了一个单电池，具有膜电极组件(MEA)4的双极PEM燃料电池堆2。该MEA与电池堆中的其它燃料电池(未示出)被导电的、液体冷却的双极板14、16分隔开。MEA4和双极板14、16在不锈钢夹板10和12之间堆叠在一起。导电双极板14、16的至少一个工作面包含多个用于向MEA 4分配燃料和氧化剂气体(即H2和O2)的凹槽和通道18、20。不导电的垫圈26、28在燃料电池堆多个部件之间提供密封和电绝缘。气体可透过的碳/石墨扩散层34、36压靠在MEA4的电极表面30、32上。导电双极板14和16分别压靠在碳/石墨纸扩散层34和36上。氧气从储罐46经由适当的输送管路42供应到燃料电池堆的阴极侧，同时氢气从储罐48经由适当的输送管路44供应到燃料电池堆的阳极侧。另一种可选方式是，空气可以从周围环境供应到阴极侧，氢气可以从甲醇或汽油重整器等供应到阳极。还设置用于MEA4的H2和O2/空气侧的排气管路(未示出)。设置附加管路50、52用于向双极/端部导电板14、16输送液体冷却剂。还设置用于从端板14、16排出冷却剂的适当的管路，但在图中未示出。
参见图2，MEA4中由多孔电极60形成燃料侧的阳极62和氧气侧的阴极64。阳极62与阴极64通过一个质子交换膜(PEM)66相互隔开。PEM66提供离子传输，更具体的是质子(即H+)传输，以促进燃料电池2中的反应。
优选的PEM膜66，由本领域公知的质子传导聚合物构成。这种聚合物实际上是一种在其可使阳离子迁移穿过聚合物的聚合结构中包含离子团的离子交换树脂。一种广义的阳离子交换、质子传导的聚合物是所谓的磺酸阳离子交换树脂。这种类型的优选树脂是全氟磺酸聚合物电解质，其中整个膜结构具有离子交换性质。一种适合用作PEM的商业化的磺化全氟碳化物质子传导膜是由E.I.DuPont de Nemours &Co.出售的商品名为NAFION的产品。本领域技术人员同样可以选择购买其它质子传导膜。
如图2所示，在形成MEA4的PEM膜56、58的相对面上的每个电极60包括一组相应的非常细的碳颗粒70，所述碳颗粒具有支撑在碳颗粒70的内表面和外表面上的非常细的催化剂颗粒72，以及与催化剂72和碳70颗粒混合在一起的质子传导材料74。阳极催化剂颗粒72优选促进氢气(H2)的分解，由此形成质子和自由电子。质子迁移穿过PEM66至阴极侧64以发生反应。阴极64中的催化剂颗粒72促进质子与氧气之间的反应，产生副产物水。优选的催化剂材料同时作为阳极反应和阴极反应的催化剂，这样的催化剂的例子是铂及其合金。
催化剂颗粒72或担载催化剂的碳颗粒76(图2和3)分散在整个聚合物粘合剂或基体质子传导材料74中，其一般包含质子传导聚合物和/或含氟聚合物。当使用质子传导材料时，其一般包括与构成PEM66相同的质子传导聚合物(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。这些聚合物形成坚固的结构以保持催化剂，良好地粘附到PEM上，有助于电池内的水管理，由此增强电极的离子交换性能。
所述电极60在压力下至少部分嵌入到膜66内，为质子提供了从MEA4的一侧穿过传导材料66、74至另一侧的连续通路。质子传导材料74和催化剂72以及碳颗粒70的紧密混合为质子提供向发生反应的催化剂位置的连续通路。电极60通过本领域公知的多种方法被附接到PEM66上，所述方法例如，在2000年6月13日授权的美国专利US6074692、1993年12月21日授权的US5272017、或者1994年5月31日授权的US5316871中公开的方法。一种这样的方法包括热压电极浆料使之与膜66基本成为一体。因此，一些催化碳颗粒76可以至少部分地设置在膜66中(参见图3)。这些催化碳颗粒76是有磨蚀作用的，当PEM66处于传统处理条件的温度和压力时，PEM66的较脆弱的部分可能会部分地或者完全地被刺穿，分别如图3中75、77所示。该MEA4的制造方法会促进产生电缺陷，如果导电碳颗粒76突进膜内过深，如图3所示，由此会导致产生不希望的导电路径，由此穿过PEM66在相对的电极62、64之间产生缺陷80。
大体上如图1和4所示，电缺陷也可能在燃料电池2的后续组装步骤中发生。在燃料电池2内，MEA4被压在由导电电极板14、16限定的两个气体扩散层34、36之间。扩散层34、36压靠住MEA4的两个电极面30、32，并作为(1)阳极62和阴极64的主要的集流器，和(2)MEA4的机械支撑。扩散介质由形成扩散层34、36的气体可透过传导材料制成。该扩散介质一般是多孔的，具有约80％-90％孔隙率，可以包括碳或石墨纸或布、细孔贵金属筛等，穿过所述扩散介质气体可以流动以与位于脊部82下面的MEA4接触，如同本领域所公知的。一种这样的商业上可获得的扩散介质为由托雷碳纤维美国有限公司(Toray Carbon Fibers America，Inc.)生产的石墨纤维纸。
很多导电扩散介质纸或布具有延伸的突起的粗糙表面，这主要是由于该材料的性质和结构以及制造工艺导致的。这些突起可撞击PEM66，且在燃料电池工作过程中当施加压力时会嵌入其中。扩散层突起86导电，其长度可以足以部分或者全部穿透膜66，在燃料电池2中产生潜在的电缺陷。因此，可能形成穿过膜66的导电路径88或管道，造成短路。或者在突起86完全地穿过PEM相对侧时产生，或者当在MEA4相对侧面62、64上的两个突起90、92部分地穿过PEM 66并且相遇或者彼此非常接近时产生管道88。
在燃料电池2中，MEA 4压靠在受到一对导电板14、16限制的一对扩散层34、36上。每块导电板14、16包含至少一个所谓的“流场”，用于在阳极62和阴极64的表面上分配燃料电池的气态反应物(如H2和O2/空气)。该流场包括多个脊部82，所述脊部与主要的集流器34、36相接合，并在其间限定出多条流动通道18、20，气态反应物穿过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之间流动。
在燃料电池的制造和组装过程中，在最后组装到燃料电池2中之前对容易出现缺陷的MEA4和扩散层34、36进行分析是有好处的。MEA4还可从组装好的燃料电池2中拆下来用于进行失效分析。本发明一个优选的实施例是，在将这部件组装到燃料电池2中之前，测试夹在扩散层34、36之间的MEA4。参见图5，电源装置90在MEA4上施加电压。这里所说的“缺陷”主要是指以通过PEM66的短路形式存在的缺陷，其中导电材料部分或全部穿过电极的相对侧，形成从其中通过的导电路径。PEM66，当在没有缺陷或故障情况下的正常工作时，应起到电介质作用，所述电介质具有几乎无限大的电阻。任何流过MEA4的电流都会显示出电缺陷的存在。如果确有电流流过MEA4，短路周围的材料由于电阻特性而被加热，产生热点(hot spot)。在热点产生的热的强度显示出缺陷80的严重程度。能够识别出温度等级的热成像装置92扫过整个MEA电极面或表面30、32。热成像装置92监测到发出热辐射的缺陷94的强度和位置，揭示出关于电缺陷存在的信息，尤其有助于对缺陷的严重程度和位置进行分类。
根据本发明，通过电源装置90将电位差或电压施加到MEA4上，以检测MEA4的介电容量。正极和负极导线96、98被附接到位于MEA4相对侧面102、104上的导电元件上。这样的元件可以包括电极60，然而，导电扩散介质层34、36是优选的。导电扩散介质层34、36有利于在MEA电极面30、32的表面上电荷分布或电荷密度的均匀化，并将沿MEA面30、32的电位差减至最小。局部差异可能导致产生不精确的结果或者对PEM66的不经意的破坏。当把电压施加到MEA4上时，不应该超过PEM66的击穿电压，所述击穿电压意味着该材料对电荷达到一定的极限值的阻力。如果超过该击穿电压，材料发生不可逆的失效，导致电流从其中流过。击穿电压根据PEM66的构造材料或者MEA4内的膜的材料的不同而改变。
工作燃料电池的理论电压是1.23伏特，由H2和O2之间的电化学反应产生的理论能量计算得到。因此，在工作期间，达到燃料电池的名义电位。然而，在检测可能的电缺陷的过程中，施加更高的电压以揭示穿过PEM66的导电路径可能是有利的。施加电压的优选方法是借助可操作以逐渐增大电压的电源90。一般范围是0-5V左右，最优选0V-3V左右。在一般的测试条件下，不断增大电压直到在可辨别的热图像中观察到与电缺陷相对应的缺陷为止。
在MEA4内的PEM66中存在的电缺陷的强度可发生变化。在电缺陷80所在的点或位置94上流过PEM66的电流与从MEA4中发出的热量之间存在直接的相关性。导电路径(80或88，取决于缺陷的来源)存在于PEM66内，在此生成热量并穿过电极60辐射到缺陷80、88的位置94的上面或者下面的MEA的电极表面30、32上。热源的表面位置94表示在下面的缺陷80、88的位置。因此，为了定位而对MEA的表面30、32和热强度进行监测可揭示出与位于表面下的电缺陷的信息。
确定缺陷的存在和程度对于燃料电池制造过程中的质量控制很重要。一些缺陷可能仅仅是最小限度的，并且不会对燃料电池环境中MEA的工作造成不利的影响，因此一些较小的缺陷对于燃料电池的运行并不重要。其它的缺陷可能会妨碍组装好的燃料电池中给定MEA的使用，而弃用MEA。因此，快速确定缺陷的存在、或优选确定出缺陷的程度的能力在制造过程是很重要的。此外，辨别这样的缺陷的位置在确定缺陷起源方面极具价值，由此可以在将制造附接有导电扩散介质层的MEA时提前将所述缺陷消除。这种方法还可以用于对拆开的燃料电池进行事后分析，以识别MEA失效的来源。
本发明的进一步的方面包括表面监测，以确定缺陷的存在，优选确定缺陷的位置，最优选的是根据强度级检测缺陷的程度。根据本发明的一个优选实施例，使用红外辐射检测装置92，优选为热成像装置，监测MEA的表面30、32或者导电扩散介质层34、36的热能辐射强度。MEA表面30、32的受热区域发射出不同的能量波，包括红外辐射。能够检测红外辐射(IR)的装置92使表面温度与红外辐射的强度相关联。优选的红外辐射(IR)检测装置92记录红外辐射的位置和强度级或量，将其转化为沿扫描物体表面的温度。红外辐射包括电磁波频谱中大约0.8×10-6到1×10-3米范围内的波长。优选的IR检测装置92为与对位置和强度相关的数据进行分析的软件程序兼容的热成像红外照相机。这种红外照相机92可以购买到，IR装置的性质因设备制造商的不同而不同。
一种优选的IR热成像照相机92是由FLIR SystemsTM制造的ThermCAMPM695。该装置的检测系统监测来自表面的光谱波长范围在7.5×10-6到13×10-6米的红外辐射。该照相机测量的温度范围是从大约-40℃到大约1500℃，最优选的检测范围为从大约-40℃到大约120℃。测量模式包括点、面、等温线、谱线轮廓和温度梯度。测量的精确度一般为+/-2℃或+/-2％。
各种可购买到的软件程序与热红外照相机92兼容，以增强数据的采集和分析功能(如FLIR SystemsTM的ThermaCAM ReporterSoftware)。这些软件将由红外照相机92获得的增补信息编入程序，并且可以进行例如温度分析(如等温线测量、谱线轮廓和面积直方图)；存储图像的静态图像分析；和绘制温度-时间曲线图(如实时走向和分析)。这样的软件的使用加速了红外照相机92的热红外扫描的计算。而且，这种软件除了提供更精密的IR热成像图像的分析以外，还增强了发生缺陷的图样识别。
进一步参见图5，一种优选的红外测试系统或监测设备110使用红外照相机92扫描发出热红外辐射的表面。红外照相机92聚焦在置于底座114上的台架112上，并被固定到一个可调节的支撑臂116上，在台架112和红外照相机92之间的距离可调。要进行扫描的物体被放置在台架112上，其优选由一种能够使电荷分配到MEA34、36、62或64的导电部分上的导电材料构成。一种绝缘结构材料优选用作底座114，以防止施加到台架112或MEA4上的电荷被传导到测试设备的其它区域。要进行测试的MEA4(或附接有导电扩散层34、36的MEA)被放置在处于红外照相机92的扫描范围116内的台架112上。一个具有正极导线96和负极导线98的电源装置90(如电池或直流换流器)被附接到MEA的相对侧面102、104的导电部分上，或者直接分别附接到电极60上；通过在MEA相对的侧面102、104上附接的导电扩散层34、36；或者通过在MEA102一侧上的一个导电扩散层34、36或电极60和在相对的侧面104上的导电底座114。电源90被激活，在MEA4上施加电压或电位差。红外照相机92通过镜头118扫描MEA102、104的至少一个表面，优选扫描面向上对着红外照相机92的表面。当存在电缺陷80时，MEA的任一侧102、104都会显示出来，因此可定位MEA4，使得或是阴极64侧或阳极62侧朝向红外照相机92。通过电极60在膜66上施加电位差，与特定的电极-电源线连接顺序无关，因为两侧62、64都是导电的，并且只要电荷施加到MEA的相对侧面102、104上，就可以在MEA4上施加电位以进行测试。如前述，电缺陷80传导电流通过MEA4的本体，并且在局部区域或位置94处产生热。
红外照相机92扫描MEA的表面30、32或扩散介质层34、36用于热红外辐射，并产生一个具有表面区域的IR或温度梯度特征的输出，一般公知为热成像图像。红外照相机92产生带有热强度的热图像，所述热强度被转化为灰度级或色彩浓淡，以产生具有热强度变化的可视图像。这种图像的一个例子如图6所示，其中主要在MEA4的无缺陷区域124中间存在一个高强度的缺陷或主要缺陷120和较小强度的或次要缺陷122。因此，缺陷的范围或程度相对来说是可确定的。这种图像可以用x轴和y轴来进行描述，所述x轴和y轴对应于MEA的扫描表面30、32或者扩散介质层34、36的x轴和y轴，图像的x轴和y轴构成一个二维的格网。一个热点的缺陷，例如120或122，具有至少一个限定缺陷位置的x和y的坐标值。因此，主要缺陷120或次要缺陷122可以通过肉眼观察热图像或者通过分析x和y坐标沿着被扫描的表面进行定位。
另一种可选方式是，也可以生成热剖面图，其为具有x、y和z轴的三维图，其中x和y轴对应于MEA被扫描的表面30、32或扩散介质层34、36的长度和宽度。z轴显示的是被扫描表面的热强度，其中由主要缺陷或次要缺陷形成的热点将会具有正z值，并且由此大于周围的不从表面发射热量的无缺陷区域124的z值。因此，在剖面图中至少一个坐标点的x、y和z值能够揭示出沿着被扫描表面所处的位置以及强度。热剖面图可以由各种计算机软件程序产生，所述计算机软件程序基于输入的变量，例如x、y和z生成参量的三维图像。红外照相机92一般包含一个内部CPU(中央处理器或计算机)用来处理数据产生输出图像。进一步的，红外照相机92选择性地传送输出数据，所述数据详细地说明从所述区域进行的IR扫描中得到的数据，所述数据可以进一步地在一个外部处理单元(即CPU)或计算机中进行操作处理。传送到CPU的输出数据可以由上述的软件程序进行处理和分析，以提供与热成像相关的更加具体的信息。进一步的，可以通过变量或图样分析对输出数据进行分析，以确定热点的位置。
根据本发明的另一个优选实施例，监测设备110适合于涉及MEA4自动化的传输的制造过程。在这种情况下，台架112可适合于把MEA4输送到位于红外照相机92下面的扫描区域116内的适当位置处的自动化的组装工艺。如果需要，MEA组件4可被放置在一个独立的绝缘底座114上。通过从电源90把导线96、98与MEA的相对的侧面102、104相连接，把电压施加到MEA4上。由红外照相机92进行的IR扫描提供一种图像，用于解释以确定MEA4中缺陷80的存在。因此，本发明的方法很容易适用于自动化的制造工艺。
监测设备110检测正在进行测试的MEA4内的缺陷的存在和/或程度。其它形式的热监测设备和传感器是可以预期的并且可以互换的使用，来确定在MEA的表面30、32上的温度变化，例如热敏纸等。然而，红外照相机92已被证明是目前能够买到的最为精确的和可靠的热成像设备。
如图7所示的本发明另一种可选实施例包括测试没有附接任何扩散层的MEA4。若仅是要对带有电极60和PEM66的MEA4进行评估，那么这种测试情况是理想的。如果有必要仅测试MEA4，那么一个高导电性表面130可设置在MEA4的每个电极面30、32上以促进电极60上和MEA4上均匀的电荷分布或密度。优选的导电表面130包括一种不阻碍必须由IR扫描装置进行检测的从MEA发射的红外辐射的材料，例如类似碳或石墨纸或布的导电材料。
如图8所示的本发明另一种优选实施例包括测试附接有扩散介质层34、36的并且至少一个导电扩散层34、36受到固体表面140压制的MEA4的完整性。优选地，固体140为刚性的并对于红外辐射来说是透明的，以使得红外照相机92的检测和监测不受阻碍。有时，在测试过程中，附接到导电扩散层34、36上的MEA4发生物理分解的问题，使得扩散层34、36中的一个或两个与MEA4分离。从MEA4上分离出来的布或纸还去除了MEA4上的导电突起86，其消除或减少了电缺陷80。然而，当MEA4和扩散层34、36随后组合到燃料电池2中时，导电突起86重新进入MEA4并造成短路。因此，在一些测试情况下，有必要对MEA4和扩散介质层34、36施加压力，以保证能够检测到所有缺陷80。一种在MEA4和扩散介质层34、36组件上施加压力的优选方法是通过向至少一侧施加外部压力144，将一个对红外辐射透明的固体在一个侧面142上压入MEA中。如图所示，仅在MEA和扩散介质层的一个侧面上需要该固体，这是由于台架和底座位于下面，并包括扩散介质层。另一种可选构造包括有两个固体板140压靠到MEA的两个表面102、104上。这仅仅是一种在MEA4上施加压力的方法，或者如果使用双照相机系统，则有必要在两个侧面上都有对红外辐射透明的固体，以扫描MEA4的每个侧面。这种透明固体的一个例子是具有1/2”左右厚度的玻璃。也可以使用本领域技术人员可获得的各种材料，在照相机能够检测的频率/波长范围内，所述材料或玻璃是透明的。一般的波长范围是7毫米(微米)到13微米，这要取决于照相机。固体140必须承受的优选压力范围是在0和大约80p.s.i.之间。这种可选实施方式可以用在前述的所有检测方法中。
本发明涉及一种检测发生在MEA4中的缺陷、电性质的方法。更具体的，这些缺陷经常在附接导电扩散层34、36的MEA4内产生。首先，MEA4(或附接扩散层34、36的MEA4)被放置在热成像扫描装置92下面。接着，通过电源90将电压差或电压施加到MEA4上。使用热成像扫描装置92扫描MEA表面30、32中的至少一个，用于生成热图像。进一步的，热成像扫描装置92生成表面30、32的热图像，所述热图像示出了位置94和热强度的变化。评估MEA4的热强度，与沿表面30、32的周围区域相比，在一定的区域中热强度相对较大，表明在MEA4中存在电缺陷80。如果缺陷80存在于MEA4上，将其隔离出来进行进一步的分析。如果MEA4没有缺陷或者缺陷的严重程度不会对其功能造成影响，则来可以将其组装到燃料电池2中。
目前进行质量控制的方法属于通过穿过聚合物膜中的孔的气体的物理渗透进行的密闭性检查，但是这些方法不能提供有关MEA中电缺陷的信息。为了保证质量和质量控制，需要有一种能够识别出发生在燃料电池的MEA内的电缺陷的强度和/或位置的非插入式方法。
本领域的技术人员能够认识到本发明的用途，其提供一种容易的用于评估燃料电池中最昂贵的和有故障倾向的部件MEA的方法。MEA内的电缺陷已经证明是本领域中广泛存在的问题，本发明提供了一种快速、有效和非插入式的检测这种缺陷的方法，该方法易适用于进行连续的制造安装和质量控制分析。
本发明的说明在本质上仅为举例说明性质的，由此，不偏离本发明要点的变型也在本发明的范围内。这种变型不被视为偏离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种确定具有质子交换膜(PEM)和设置在PEM相对的表面上的电极的膜电极组件(MEA)中存在的缺陷的方法，包括在膜电极组件上施加电位差，并监测从至少一个所述电极的表面上发出的红外辐射。
2.如权利要求1所述的方法，其中膜电极组件包括在所述电极的各个远离质子交换膜的侧面上的导电气体扩散介质，并且所述电位差被施加在所述扩散介质上，在至少一个所述扩散介质的表面上监测所述红外辐射。
3.如权利要求1所述的方法，其中膜电极组件设置在通常为平面的元件之间，其中至少一个元件对红外辐射是透明的。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述监测是由能够生成热图像的红外辐射照相机来完成的。
5.如权利要求1所述的方法，其中通过检测波长范围在大约7μm到大约13μm内的红外辐射进行所述监测。
6.如权利要求1所述的方法，其中通过检测范围在大约-40℃到大约120℃内的温度进行所述监测。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述电位差由一个从0到大约5伏范围内的电源提供。
8.如权利要求1所述的方法，其中从所述膜电极组件表面发射的所述红外辐射的强度级的变化反映出缺陷所在的位置。
9.一种检测膜中的任意缺陷的方法，所述膜除缺陷以外的部分为电绝缘性的，所述方法包括通过分别接触膜的第一和第二表面的第一和第二导电基体，在膜上施加电压；通过检测从至少一个所述第一或第二导电基体的表面发射出的热能，检测由膜发射出的热能的强度级的任意变化，其中强度级的所述变化反映出任意缺陷的存在。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述检测是通过检测从膜发射出来的红外辐射来进行的。
11.如权利要求10所述的方法，其中膜被设置在通常为平面的元件之间，其中至少一个元件对红外辐射是透明的。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述检测是通过能够生成热图像的红外辐射照相机来实现的。
13.如权利要求9所述的方法，其中通过检测范围在大约-40℃到大约120℃内的温度进行所述检测。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述电压由一个从0到大约5伏范围内的电源提供。
15.如权利要求9所述的方法，其中所述强度级的变化反映出任意缺陷的位置。
16.一种检测和定位在膜内的缺陷的方法，该膜除了存在缺陷的位置以外是电绝缘性的，该膜具有分别与第一和第二电极层接触的第一和第二表面，形成一个膜电极组件，该方法包括在第一和第二电极层上施加电位差，其中在膜中不存在缺陷时，所述电位差被保持在膜上，而在存在缺陷的情况下，有电流流过第一和第二电极层之间时，所述电位差减�。龅缌髟谀さ牡谝缓偷诙砻嬷械闹辽僖桓錾喜鹊悖灰约把氐谝缓偷诙缂阒械闹辽僖桓龅谋砻妫范ㄈ我馊鹊愕奈恢�。
17.如权利要求16所述的方法，其中导电气体扩散介质层设置在第一和第二电极层的远离膜的各个侧面上，所述电位差施加在所述扩散介质层上，所述热点被确定在至少一个所述扩散介质层的表面上。
18.如权利要求16所述的方法，其中沿第一和第二电极中至少一个的所述表面确定任意热点的位置，是通过生成热图像来实现的，其包括构成二维网格的x轴和y轴；并且其中任意热点具有在所述网格内的至少一个具有x值和y值的坐标，所述至少一个坐标转化成沿所述表面的缺陷的位置。
19.如权利要求16所述的方法，其中沿第一和第二电极层中至少一个的所述表面确定任意热点的位置，是通过生成热剖面图来实现的，其包括具有x、y和z轴的三维图，其中所述x和y轴对应于所述表面的长度和宽度，所述z轴显示热强度级；并且其中任意热点的位置对应于所述图内至少一个具有x、y和z值的坐标，其中所述z值具有一个热强度，所述至少一个坐标反映出沿所述表面的缺陷的位置和强度。
20.如权利要求17所述的方法，其中确定任意热点的位置是通过一个处理器单元对红外辐射数据进行图样分析来实现的。
全文摘要
本发明涉及一种用于检测电化学燃料电池中膜电极组件(4)中的缺陷的方法和系统，更具体而言涉及检测膜电极组件(4)中质子交换膜内存在的缺陷(80)，所述膜电极组件可选择地夹在导电扩散介质层(34，36)之间，在整个膜(4)上施加电压，并且缺陷(80)的存在，优选的是缺陷(80)的位置通过监测从膜电极组件(4)的一个表面发射的红外辐射的强度变化而得以确定。另一种优选的实施方式包括用至少一个对红外辐射透明的刚性固体夹住膜电极组件(4)和导电扩散(34，36)。
文档编号G01T1/16GK1695071SQ03824654
公开日2005年11月9日 申请日期2003年9月3日 优先权日2002年9月6日
发明者M·W·墨菲, B·A·利泰尔 申请人:通用汽车公司
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