基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测装置及方法与流程

[0001]
本申请涉及膜电极检测技术领域，特别涉及一种基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测装置及方法。


背景技术：

[0002]
燃料电池是通过膜电极mea与双极板多层堆叠组装而成，mea一侧为氢气，一侧为氧气，起到隔绝气体，交换质子的作用。若mea发生漏气或破损，直接导致氢气与氧气混合，会引起爆炸的风险，因此在组装mea之前，必须对每片mea进行密封性检测，尤其随着燃料电池的发展，作为核心部件mea的检测越来越重要，使得燃料电池膜电极气密性检测装置尤为重要。
[0003]
相关技术中，燃料电池膜电极气密性检测装置通常是基于气相色谱仪检漏法、氦质普仪检漏法等。气相色谱仪检漏法和氦质普仪检漏法均是通过检测示踪气体从膜电极渗透到另一侧的气体量来测量膜电极的气密性。
[0004]
然而，一方面，由于现有技术中是通过检测气体从膜电极渗透到另一侧的气体量来测量膜电极的气密性，此种气压检漏法需要在膜电极的一侧通入较大压力的气体，然后保压一段时间后再检测压力值下降的方式对膜电极进行气密性检测，此种气压检漏法对气体压力要求高，受限于气体压力范围，才能保证精度，适用范围小。


技术实现要素：

[0005]
本申请实施例提供一种基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测装置及方法，以解决相关技术中受限于气体压力范围，适用范围小的技术问题。
[0006]
第一方面，提供了一种基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测装置，其用于对膜电极进行气密性试验，其包括：标准充压腔体，其上设有一个第一出气孔、第一进排气孔以及用于检测内部压力的第一压力传感器；待测充压腔体，其包括固定设置的下压模块、与所述下压模块配合的上压模块，所述下压模块上设有与大气连通的通孔，所述上压模块上分别设有一个第二出气孔和一个第二进排气孔，且所述上压模块上设有用于检测压力的第二压力传感器，所述下压模块和上压模块形成一可容纳所述膜电极的密封腔；压差传感器，其两端分别与所述第一出气孔、第二出气孔相连，且所述压差传感器和第一出气孔之间、所述压差传感器和第二出气孔之间均设有一个第一开关；空压机，其与所述第一进排气孔、第二进排气孔均相连，且所述空压机和第一进排气孔之间、所述空压机和第二进排气孔之间均设有一个第二开关。
[0007]
一些实施例中，所述第一出气孔和第一进排气孔设于所述标准充压腔体的侧壁上，所述第二出气孔和第二进排气孔设于所述待测充压腔体的侧壁上。
[0008]
一些实施例中，所述标准充压腔体上还设有用于检测内部温度的第一温度传感
器，待测充压腔体上还设有用于检测内部温度的第二温度传感器。
[0009]
一些实施例中，所述空压机和第二开关之间设有一用于调节输入气压的气源处理组件。
[0010]
一些实施例中，所述气源处理组件和第二开关之间还设有一调压阀。
[0011]
一些实施例中，每个所述第二开关和调压阀之间均设有一软管。
[0012]
一些实施例中，基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测装置还包括驱动机构，所述驱动机构与下压模块相连，其用于驱动所述下压模块向靠近和远离所述上压模块的方向上移动，以使所述下压模块和上压模块形成一可容纳所述膜电极的密封腔。
[0013]
一些实施例中，所述下压模块和上压模块螺栓连接。
[0014]
第二方面，提供了一种所述基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测装置的检测方法，包括步骤：将膜电极置于上压模块和下压模块之间，压紧上压模块和下压模块，使膜电极和上压模块形成一待测试腔、膜电极和下压模块形成一连通腔；关闭第一开关，打开第二开关，接通空压机，向所述上压模块和标准充压腔体内输入压缩空气，使第一压力传感器和第二压力传感器读数相同；关闭第二开关，打开第一开关，待压差传感器读数稳定后，开始计时，得到预设时间内压差传感器的读数变化；根据得到的预设时间内压差传感器的读数变化、大气压强、待测试腔的容积以及膜电极的面积，计算膜电极的串漏率。
[0015]
一些实施例中，所述根据得到的预设时间内压差传感器的读数变化、大气压强、待测试腔的容积以及膜电极的面积，计算膜电极的串漏率的计算过程包括步骤：根据预设时间内压差传感器的读数变化、大气压强、待测试腔的容积，计算串漏流量q，计算公式为：q=vδp/(p0δt)式中，q为串漏流量，v为待测试腔的容积，δt为预设时间，δp为预设时间内压差传感器的读数变化，p0为大气压强；根据串漏流量q和膜电极的面积，计算串漏率l，计算公式为：l=q/a式中，l为串漏率，a为膜电极的面积。
[0016]
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：气密性检测准确度更高，适用范围广，成本较低。
[0017]
本申请实施例提供了一种基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测装置，在使用时，采用压差测试法，通过测量待测充压腔体相对于标准充压腔体的微量变化，即可检测出气密性，不仅提高了检测的准确度，而且在膜电极允许的压力范围内，可以不限压力大小，适用范围更广，再者，该压差测试法采用常规的压缩空气即可实现，无需采用特殊的气相色谱仪和氦质普仪，成本较低。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使
用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]
图1为本申请实施例提供的基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测装置的原理示意图；图2为本申请实施例提供的第一种待测充压腔体的结构示意图；图3为本申请实施例提供的第二种待测充压腔体的结构示意图；图4为本申请实施例提供的上压模块的部分结构示意图。
[0020]
a、膜电极；1、标准充压腔体；11、第一出气孔；12、第一进排气孔；13、第一压力传感器；14、第一温度传感器；2、待测充压腔体；2a、下压模块；2b、上压模块；21、通孔；22、第二出气孔；23、第二进排气孔；24、第二压力传感器；25、第二温度传感器；26、密封垫片；27、密封槽；3、压差传感器；31、第一开关；4、空压机；41、第二开关；5、气源处理组件；6、调压阀；7、软管；8、驱动机构；9、架体；91、下机座；92、上机座；93、立柱；94、耳板。
具体实施方式
[0021]
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0022]
参见图1所示，本申请实施例提供了一种基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测装置，其用于对膜电极a进行气密性试验，其包括：标准充压腔体1、待测充压腔体2、压差传感器3和空压机4。
[0023]
标准充压腔体1上设有一个第一出气孔11、第一进排气孔12以及用于检测内部压力的第一压力传感器13。
[0024]
待测充压腔体2包括固定设置的下压模块2a、与所述下压模块2a配合的上压模块2b，所述下压模块2a上设有与大气连通的通孔21，所述上压模块2b上分别设有一个第二出气孔22和一个第二进排气孔23，且所述上压模块2b上设有用于检测压力的第二压力传感器24，所述下压模块2a和上压模块2b形成一可容纳所述膜电极a的密封腔。
[0025]
压差传感器3的两端分别与所述第一出气孔11、第二出气孔22相连，且所述压差传感器3和第一出气孔11之间、所述压差传感器3和第二出气孔22之间均设有一个第一开关31。
[0026]
空压机4与所述第一进排气孔12、第二进排气孔23均相连，且所述空压机4和第一进排气孔12之间、所述空压机4和第二进排气孔23之间均设有一个第二开关41。本申请实施例的第一压力传感器13和第二压力传感器24用符号pt标识。
[0027]
本申请实施例的基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测装置的工作原理为：在使用时，将膜电极a置于上压模块2b和下压模块2a之间，压紧上压模块2b和下压模块2a，使膜电极a和上压模块2b形成一待测试腔、膜电极a和下压模块2a形成一连通腔，该连通腔与大气相连；
关闭第一开关31，打开第二开关41，接通空压机4，向所述上压模块2b和标准充压腔体1内输入压缩空气，使第一压力传感器13和第二压力传感器24读数相同；关闭第二开关41，打开第一开关31，待压差传感器3读数稳定后，开始计时，得到预设时间内压差传感器3的读数变化，再根据得到的预设时间内压差传感器3的读数变化可以计算出膜电极a的串漏率，反映出膜电极的气密性，即完成膜电极气密性检测。
[0028]
本申请实施例的基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测装置，在使用时，采用压差测试法，通过测量待测充压腔体2相对于标准充压腔体1的微量变化，即可检测出气密性，不仅提高了检测的准确度，而且在膜电极允许的压力范围内，可以不限压力大小，适用范围更广，再者，该压差测试法采用常规的压缩空气即可实现，无需采用特殊的气相色谱仪和氦质普仪，成本较低。
[0029]
更进一步地，所述第一出气孔11和第一进排气孔12设于所述标准充压腔体1的侧壁上，所述第二出气孔22和第二进排气孔23设于所述待测充压腔体2的侧壁上。
[0030]
在本申请实施例中，第一出气孔11、第一进排气孔12、第二出气孔22和第二进排气孔23均设于侧壁上，使得进气和出气方向与膜电极平行，通过此种设计，可以避免直冲膜电极，避免气压冲击带来的测量误差，使得检测结果更加准确。
[0031]
更进一步地，所述标准充压腔体1上还设有用于检测内部温度的第一温度传感器14，待测充压腔体2上还设有用于检测内部温度的第二温度传感器25。
[0032]
本申请实施例的燃料电池膜电极气密性检测装置，在进行气密性检测时，计算膜电极串漏率时，除了考虑到压力的变化之外，还可以考虑到内部温度，考虑因素更全面，使得计算膜电极串漏率的方法更加准确可靠，进而可以更加准确可靠地检测出膜电极的气密性。
[0033]
更进一步地，所述空压机4和第二开关41之间设有一用于调节输入气压的气源处理组件5。
[0034]
在实际使用中，通过气源处理组件5来调节空压机4输入给上压模块2b和标准充压腔体1的气压，调整上压模块2b和标准充压腔体1内的压强读数，使第一压力传感器13和第二压力传感器24的读数相等。
[0035]
更进一步地，所述气源处理组件5和第二开关41之间还设有一调压阀6。
[0036]
在本申请实施例中，通过气源处理组件5对输入气压进行粗调，再通过调压阀6对输入气压进行微调，可以使得输入气压调节精度更高，气密性检测的准确度更高。
[0037]
更进一步地，每个所述第二开关41和调压阀6之间均设有一软管7。
[0038]
参见图2所示的第一种待测充压腔体的结构示意图，本申请实施例的基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测装置还包括驱动机构8，所述驱动机构8与下压模块2a相连，其用于驱动所述下压模块2a向靠近和远离所述上压模块2b的方向上移动，以使所述下压模块2a和上压模块2b形成一可容纳所述膜电极a的密封腔。
[0039]
需要说明的是，在本申请实施例中，所述下压模块2a和上压模块2b的位置可调，也可以上压模块2b在上方，下压模块2a在下方，驱动机构8与上压模块2b相连，可以实现通过驱动机构8将上压模块2b和下压模块2a压紧即可。
[0040]
在本申请实施例中，所述驱动机构8为压紧气缸，结构简单。所述下压模块2a为具有一连通腔的槽型结构。
[0041]
更进一步地，本申请实施例的基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测装置还包括架体9，所述架体9包括下机座91和上机座92，所述上压模块2b设于所述下机座91上，所述驱动机构8设于所述上机座92上，且所述下压模块2a位于所述下机座91和上机座92之间。
[0042]
对应地，压紧气缸的端盖固定在上机座92上，压紧气缸的活塞杆连接在所述下压模块2a的顶面，压紧气缸驱动下压模块2a上下运动。
[0043]
更进一步地，所述架体9还包括四根立柱93，所述下压模块2a套设于所述立柱93上。立柱93可以在下压模块2a上下运动的过程中起到很好的导向作用，使得上压模块2b和下压模块2a更加容易压紧，装置结构稳固性更好。
[0044]
更进一步地，所述下压模块2a通过耳板94套设于所述立柱93上。所述耳板94和下压模块2a螺栓连接，通过耳板94可拆卸连接，结构连接更为方便。
[0045]
继续参见图2所示，本申请实施例的基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测装置还包括一密封垫片26，所述下压模块2a和上压模块2b上均设有与所述密封垫片26配合的密封槽27。
[0046]
本申请实施例的基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测装置由于设置有密封垫片26，在使用时，将密封垫片26环绕套设于膜电极a的周围，当下压模块2a和上压模块2b压紧后，密封垫片26部分位于下压模块2a的密封槽27内，部分位于上压模块2b的密封槽27内，使得整个检测装置气密性更好，检测准确性更好。
[0047]
在本申请实施例中，第二进排气孔23和第二温度传感器25设于上压模块2b的右侧壁上，第二出气孔22和第二压力传感器24设于所述上压模块2b的左侧壁上。
[0048]
参见图3所示的第二种待测充压腔体的结构示意图，所述下压模块2a和上压模块2b也可以螺栓连接，不需要使用到压紧气缸，可以在下压模块2a和上压模块2b的边缘设置若干螺栓孔，通过螺栓孔直接将下压模块2a和上压模块2b锁紧。
[0049]
在其他的一些实施例中，也可以通过在耳板94和下机座91上设置螺栓孔，手动将下压模块2a和上压模块2b压紧后，通过耳板94和下机座91上的螺栓孔进行螺栓连接，使得下压模块2a和上压模块2b压紧，可以将下压模块2a和上压模块2b压紧即可。
[0050]
参见图4所示的上压模块的部分结构示意图，所述标准充压腔体1和所述上压模块2b内均设有蛇形沟槽。
[0051]
本申请实施例的蛇形沟槽设计，可有效增加气体流通通道长度，使得测试气体和大气可以充分混合，模拟的检测环境更加接近于真实的膜电极的应用环境，气密性检测效果更好。
[0052]
优选地，在本申请实施例中，所述第一开关31为球阀，可以为自动球阀也可以为手动球阀，根据实际情况进行选取即可。所述第二开关41为电磁阀。
[0053]
所述待测充压腔体2具有一标准腔，在膜电极a安装在待测充压腔体2内后，膜电极a和上压模块2b形成一待测试腔，膜电极a和下压模块2a形成一连通腔，所述标准腔和待测试腔的容积相同。
[0054]
本申请实施例还提供了一种基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测方法，包括步骤：s1：将膜电极a置于上压模块2b和下压模块2a之间，压紧上压模块2b和下压模块2a，使
膜电极a和上压模块2b形成一待测试腔、膜电极a和下压模块2a形成一连通腔；具体地，在本申请实施例中，将膜电极a置于所述上压模块2b上，将下压模块2a压紧在上压模块2b上；s2：关闭第一开关31，打开第二开关41，接通空压机4，使第一压力传感器13和第二压力传感器24读数相同；s3：关闭第二开关41，打开第一开关31，此时，压差传感器3的读数为0，待压差传感器3读数稳定在0pa后，开始计时，得到预设时间内压差传感器3的读数变化；s4：根据得到的预设时间内压差传感器3的读数变化、大气压强、待测试腔的容积以及膜电极的面积，计算膜电极的串漏率。
[0055]
更进一步地，在本申请实施例中，所述根据得到的预设时间内压差传感器3的读数变化、大气压强、待测试腔的容积以及膜电极的面积，计算膜电极的串漏率的计算过程包括步骤：根据预设时间内压差传感器3的读数变化、大气压强、待测试腔的容积，计算串漏流量q，计算公式为：q=vδp/(p0δt)式中，q为串漏流量，单位为l/min，v为待测试腔的容积，单位为l，δt为预设时间，单位为min，δp为预设时间内压差传感器3的读数变化，单位为kpa，p0为大气压强，单位为kpa；根据串漏流量q和膜电极的面积，计算串漏率l，计算公式为：l=q/a式中，l为串漏率，单位为l/(min.cm
²
)，a为膜电极的面积，单位为cm
²
。本申请实施例的膜电极的面积应该理解为膜电极的有效面积，单位为cm
²
，可以根据膜电极的尺寸计算得到。
[0056]
本申请实施例的基于压差测试法的燃料电池膜电极气密性检测方法，采用压差测试法，通过测量待测充压腔体2相对于标准充压腔体1的微量变化，即可检测出气密性，不仅提高了检测的准确度，而且在膜电极允许的压力范围内，可以不限压力大小，适用范围更广，再者，该压差测试法采用常规的压缩空气即可实现，无需采用特殊的气相色谱仪和氦质普仪，成本较低。
[0057]
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
[0058]
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者
设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0059]
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。