一种燃料电池系统金属离子在线检测方法技术方案

本发明专利技术提供一种燃料电池系统金属离子在线检测方法，具体包括以下步骤：S1：纸基传感器的选型；S2：安装金属离子在线检测装置，将金属离子在线检测装置安装于燃料电池系统的三腔进出口管路上，金属离子在线检测装置包括COMS微型摄像头、LED照明灯、上位机和纸基传感器；S3：图像的在线采集，打开LED灯，通过COMS微型摄像头实时采集纸基传感器图像；S4：检测结果分析，COMS微型摄像头实时采集的纸基传感器图像传输至上位机，上位机提取纸基传感器图像的RGB值，通过与标准比色卡或标准曲线进行对比，得到相应的金属离子的浓度。本发明专利技术的技术方案解决了现有技术对质子交换膜燃料电池的金属离子检测分析仅限于离线采集测试，不能实时在线监测的问题。线监测的问题。线监测的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池系统金属离子在线检测方法


[0001]本专利技术涉及质子交换膜燃料电池金属离子的在线检测分析领域，具体而言，尤其涉及一种燃料电池系统金属离子在线检测方法。

技术介绍

[0002]随着质子交换膜燃料电池(PEMFC)的适销性不断提高，诸如气体和流体的管理以及材料和部件的耐久性等问题变得越来越重要。耐久性和污染是密切相关的，PEMFC污染物大致可分为两类：第一是来自燃料或空气的气态污染物(NH3、CO、H2S)，通常会由气态分子转化为离子(NH3转化为NH
4+
)引入；第二是由PEMFC的组件(双极板、泵、空气压缩机和加湿器等)的老化或腐蚀会引入金属离子污染物。无论污染物以何种方式进入燃料电池，质子交换膜的传质阻力、氧还原电荷转移阻力和气液传输阻力都会显著增加，从而影响电池性能。
[0003]此外，一些Pt
–
M催化剂(M为非贵金属，如Co、Ni或Cu)的应用也会造成一定程度的离子污染。Pt
–
M电催化剂的电子结构很容易通过化学键的作用或热处理来调节，但合金化的高表面积纳米粒子很不稳定，在PEMFC运行过程中很容易释放出Pt
z+
和M
y+
阳离子物质。从热力学角度看，Pt
z+
(z＝2或4)和M
y+
(Ni
2+
、Cu
2+
或Co
2+
)离子在PEMFC运行环境中的存在方式是不同的，Pt
z+
物质的标准电极电势会促使它们在阳极/阴极催化层(CL)或质子交换膜(PEM)中的现有催化剂颗粒上发生再沉积，而多价阳离子如Co
2+
和Ni
2+
等既不能被电化学电势还原，也不能被穿过PEM的H2还原，就可能残留在MEA中对其性能造成影响(或在某种程度上浸出到阴极排出水中)。
[0004]据相关研究，金属离子污染会使PEM发生“阳离子效应”，通过与膜中的质子进行交换，占据膜中大多数磺酸根位点，造成膜的离子电导率下降，并且显著影响膜内的水管理；还会通过影响构建催化层中三相反应界面的Nafion聚合物，从而降低催化层上的氧还原催化活性；过渡金属离子甚至会造成Nafion膜的化学降解。并且，不同类型和浓度的金属离子对MEA性能的影响是不同的，即使ppm级的金属杂离子引入都会对电池性能和耐久性造成影响。能够快速发现并准确检测出燃料电池中金属离子的存在及浓度的大小，是有效避免金属离子污染对MEA性能造成不可逆衰减的前提。
[0005]目前，燃料电池中金属离子的高精度检测一直是行业内的痛点问题，仍旧只能采用离线采样，用大型分析仪器进行检测的方式来获得金属杂质的种类和浓度信息，由于浓度极低，往往需要进行预富集，样品收集难，检测时间长，并且大型仪器费用昂贵，例如电感耦合等离子体质谱(ICP
‑
MS)，电感耦合等离子体原发射光谱(ICP
‑
AES)，以及原子吸收/发射光谱等，样品的制备和测试操作都需要专业人员加持使得它们的应用仅局限于实验室，应范围不够广泛。关键问题在于由于不是现场在线分析，并不能真实反映电池运行时MEA中的气液质量和部件状态，不利于及时发现并反馈问题，易给燃料电池带来不可逆的损失。
[0006]综上所述，金属离子的引入，对燃料电池MEA的性能有着重要影响，尤其会造成质子交换膜和催化层的不可逆衰减，这是影响燃料电池寿命的重要因素之一；然而在已有的技术或基础研究中，大家往往偏重于新材料的开发及其制备方法的研究，对已有材料体系
的失效分析、离子污染及在线检测方法的研究依然很少。同时，燃料电池出入气体及尾排液体中都有可能存在金属离子，目前对于金属离子的检测分析仅限于离线采集测试，测试成本高，时间周期长，且不能实时在线监测，不利于问题的及时发现和分析。

技术实现思路

[0007]根据上述提出对质子交换膜燃料电池的金属离子检测分析仅限于离线采集测试，测试成本高，时间周期长，且不能实时在线监测的技术问题，而提供一种燃料电池系统金属离子在线检测方法。本专利技术基于比色纸基传感器，设计其在系统部件或管路上的固载装置，并集成CMOS成像技术(互补型金属氧化物半导体)实现燃料电池系统运行过程中反应物或生产物中的气、液金属离子种类及浓度的在线检测和分析，具体而言，主要是利用纸基传感器中不同的指示剂会与不同金属离子发生显色反应，而且随着金属离子浓度的增加，显色的程度不同，进一步通过成像技术实时的采集图像，结合上位机的软件分析，就可以实现对元素种类和浓度的在线分析；本专利技术有利于及时发现燃料电池系统反应物或生产物中的气液体是否存在金属离子，进而分析燃料电池内部的状态，能够辅助测试人员进行直观、快速、高效的失效分析，并及时采取措施防止金属离子浓度提高对膜电极造成进一步的性能影响，有利于燃料电池耐久性和可靠性的提升。
[0008]本专利技术采用的技术手段如下：
[0009]一种燃料电池系统金属离子在线检测方法，具体包括以下步骤：
[0010]S1：纸基传感器的选型
[0011]针对待检测的金属离子选择相应的纸基传感器；
[0012]S2：安装金属离子在线检测装置
[0013]将金属离子在线检测装置安装于燃料电池系统的三腔进出口管路上，金属离子在线检测装置包括COMS微型摄像头、LED照明灯、上位机和纸基传感器，将COMS微型摄像头、LED照明灯分别与上位机相连；
[0014]S3：图像的在线采集
[0015]打开LED灯，为COMS微型摄像头提供照明，通过COMS微型摄像头实时采集纸基传感器图像，记录纸基传感器的颜色变化；
[0016]S4：检测结果分析
[0017]COMS微型摄像头实时采集的纸基传感器图像传输至上位机，上位机提取纸基传感器图像的RGB值，通过与标准比色卡或标准曲线进行对比，得到相应的金属离子的浓度。
[0018]进一步地，纸基传感器为固载有特定指示剂的纸片，指示剂能够与待检测的金属离子发生显色化学反应。
[0019]进一步地，COMS微型摄像头的像素＞100万，采集图像为彩色，采集模式为连续式或触发式。
[0020]进一步地，上位机通过PS或ImageJ提取纸基传感器图像的RGB值。
[0021]进一步地，步骤S2中，金属离子在线检测装置设置于燃料电池系统的氢气尾排管路、氢气分水器管路和空气尾排管路上。
[0022]进一步地，步骤S2中，金属离子在线检测装置采用与所在管路并联或串联的方式安装于燃料电池系统。
[0023]进一步地，金属离子在线检测装置还包括电源和信号采集线、纸基传感器固定夹和集成外壳，COMS微型摄像头、LED照明灯、纸基传感器固定夹和纸基传感器均安装于集成外壳内部，纸基传感器通过纸基传感器固定夹固定在集成外壳内，COMS微型摄像头和LED照明灯位于纸基传感器上方，并分别通过电源和信号采集线与上位机相连。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统金属离子在线检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1：纸基传感器的选型针对待检测的金属离子选择相应的纸基传感器；S2：安装金属离子在线检测装置将金属离子在线检测装置安装于燃料电池系统的三腔进出口管路上，金属离子在线检测装置包括COMS微型摄像头、LED照明灯、上位机和纸基传感器，将COMS微型摄像头、LED照明灯分别与上位机相连；S3：图像的在线采集打开LED灯，为COMS微型摄像头提供照明，通过COMS微型摄像头实时采集纸基传感器图像，记录纸基传感器的颜色变化；S4：检测结果分析COMS微型摄像头实时采集的纸基传感器图像传输至上位机，上位机提取纸基传感器图像的RGB值，通过与标准比色卡或标准曲线进行对比，得到相应的金属离子的浓度。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统金属离子在线检测方法，其特征在于，纸基传感器为固载有特定指示剂的纸片，指示剂能够与待检测的金属离子发生显色化学反应。3.根据权利要求1所述的燃料电池系统金属离子在线检测方法，其特征在于，COMS微型摄像头的像素＞100万，采集图像为彩色，采集模式为连续式或触发式。4.根据权利要求1所述的燃料电池系统金属离子在线检测方法，其特征在于，上位机通过PS或ImageJ提取纸基传感器图像的RGB值。5.根据权利要求1所述的燃料电池系统金...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒清柱，李东明，孙昕，邢丹敏，
申请(专利权)人：新源动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：