一种燃料电池低温气密性检测方法与流程

1.本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种燃料电池低温气密性检测方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池是一种清洁、高效的能量转换装置，具有绿色无污染、效率高、噪声小等优点。质子交换膜燃料电池在工作过程中三腔需要持续通入氢气、空气和冷却液，因此保证电池在工作中具有良好的气密性是非常重要的。
3.在常温环境中，对于电堆气密性检测的方法大多采用压降法或流量法，通过气压及流量变化来判断电堆气密性，而且压降法对连接管路的气密性要求较高。
4.在低温环境中，材料的属性不同导致其收缩性存在差异性，使压降法或流量法的测试设备的准确度和连接管路的气密性下降，导致测试设备出现试验测量误差较大的情况，影响检测结果的准确性和效率，无法准确判断低温条件下电池的气密性，而且要保证电池在低温环境中，需要将电池与连接的特定设备隔离，增加了测试工作的复杂度。


技术实现要素：

5.根据上述提出低温环境检测效率低、不准确以及检测步骤复杂的技术问题，而提供一种燃料电池低温气密性检测方法。本发明在保证水泵低温工作的前提下，主要利用水箱的液位变化以及电池的电压变化简单有效的判断出燃料电池的气密性。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种燃料电池低温气密性检测装置，包括：燃料电池电堆、水泵、水箱、外冷换热器、压力表i、压力表ii、空气出口尾排阀和氢气出口尾排阀；
8.所述燃料电池电堆的冷却液入口和冷却液出口分别与所述水泵的出口和所述外冷换热器的入口相连，所述外冷换热器的出口与所述水箱的入口连接，所述水箱的出口与所述水泵的入口连接；
9.所述燃料电池电堆上设置电堆空气入口、电堆空气出口、电堆氢气入口和电堆氢气出口，所述电堆空气入口与压力表i连接，所述电堆空气出口与所述空气出口尾排阀连接，所述电堆氢气入口与压力表ii连接，所述电堆氢气出口与所述氢气出口尾排阀连接。
10.进一步地，所述水箱为圆柱形，直径为15cm，所述水箱上设置有水箱排气孔。
11.进一步地，所述外冷换热器上设置外冷循环入口和外冷循环出口。
12.一种燃料电池低温气密性检测方法，检测膜电极气密性的具体步骤如下：
13.s1、将燃料电池低温气密性检测装置放置在低温环境中，并确认装置连接完好后，开启水泵，使冷却液进入燃料电池电堆中充分循环，直至注满电堆内部，在电堆温度达到预定值后继续循环5min，然后关闭水泵；
14.s2、分别向电堆氢气腔和空气腔中通入氢气和空气，并打开空气出口尾排阀和氢气出口尾排阀，空气侧流量调整到200ma/cm2电流密度所对应的空气流量，氢气侧为压力控
制，保证氢气侧压力高于空气侧压力40kpa，在通入气体1min后记录电堆初始电压v0；
15.s3、停止通入空气，将氢气出口尾排阀关闭，氢气侧压力维持高于空气侧40kpa，1min后记录电堆终态电压v1；
16.s4、计算电堆初始电压与终态电压的差值δv和电压下降速率k，判断电堆膜电极气密性，根据所述电压下降速率k间接比较不同电堆的膜电极气体泄漏量。
17.进一步地，所述电压下降速率k的计算公式如下：
[0018][0019]
式中：δt表示记录初始电压和终态电压的时间间隔；
[0020]v1
表示停止供气t min后的终态电压；
[0021]v0
表示通气后的初始电压。
[0022]
一种燃料电池低温气密性检测方法，检测双极板气密性的具体步骤如下：
[0023]
s1、将燃料电池低温气密性检测装置放置在低温环境中，并确认装置连接完好后，开启水阀，使冷却液进入燃料电池电堆中充分循环，直至注满电堆内部，在电堆温度达到预定值后继续循环5min，然后关闭水泵；
[0024]
s2、水泵关闭1min后水箱液面稳定，记录此时液面高度h0；
[0025]
s3、分别向电堆氢气腔和空气腔中通入氢气和空气，将空气侧流量调整为500ma/cm2电流密度所对应的空气流量，氢气侧为压力控制，保证氢气侧压力高于空气侧压力20kpa，调整空气出口尾排阀和氢气出口尾排阀，使空气入口处的压力达到50kpa，氢气侧入口压力为70kpa；
[0026]
s4、参数设置完成后，待液面稳定1min后记录水箱液面高度h1；
[0027]
s5、对比记录的数据h0和h1，判断双极板气密性，若h0＜h1，则双极板气密性差，存在漏点，需进一步确认是氢气串水还是空气串水；
[0028]
s6、开启水泵，使冷却液重新进入燃料电池电堆中充分循环，直至注满电堆内部，在电堆温度达到预定值后继续循环5min，然后关闭水泵；
[0029]
s7、水泵关闭1min后，水箱液面稳定，记录此时液面高度h0＇，保持h0＇＝h0；
[0030]
s8、向电堆氢气腔通入氢气并调整氢气出口尾排阀，直至氢气侧压力为70kpa，待液面稳定1min后记录水箱液面高度h2；
[0031]
s9、通过对比δh＇、h2和h1的大小关系间接判断是哪一种气体串水，δh＇＝h
2-h1，若δh＇＝0则是氢气串水，若δh＇＜0且h2＞h0则为氢气和空气共同串水，若δh＇＜0且h2＝h0则为空气串水。
[0032]
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0033]
1、本发明提供的一种燃料电池低温气密性检测方法，通过检测电堆的电压差和水箱液位的变化来判断燃料电池的气密性，利用外冷换热器调节电池内部的温度，使电池可在测试台架或系统中直接进行测试，无需连接额外的管路和设备，操作简单实用，可有效判断气密性。
[0034]
2、本发明提供的一种燃料电池低温气密性检测方法，通过对比电压的变化速率可间接比较气漏量的大小，可判断膜电极的气密性，通过检测水箱液位的变化，可判断双极板的气密性。
[0035]
综上，应用本发明的技术方案利用水箱的液位变化以及电池的电压变化简单有效的判断出燃料电池的气密性。因此，本发明的技术方案解决了现有技术中低温环境检测效率低、不准确以及检测步骤复杂的问题。
[0036]
基于上述理由本发明可在质子交换膜燃料电池等领域广泛推广。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1为本发明所述的燃料电池低温气密性检测装置示意图。
[0039]
图2为本发明所述的不同温度下电堆膜电极气密性检测结果对比图。
[0040]
图3为本发明所述的不同电堆气密性检测结果对比图。
[0041]
图中：1、燃料电池电堆；2、水泵；3、水箱；4、外冷换热器；5、电堆空气入口；6、电堆空气出口；7、电堆氢气入口；8、电堆氢气出口；9、外冷循环入口；10、外冷循环出口；11、水箱排气孔；12、低温环境；13、空气出口尾排阀；14、氢气出口尾排阀。
具体实施方式
[0042]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0043]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0045]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0046]
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、
垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0047]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0048]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0049]
实施例1
[0050]
如图1所示，本发明提供了一种检测燃料电池低温气密性的装置，包括：燃料电池电堆1、水泵2、水箱3、外冷换热器4、压力表i、压力表ii、空气出口尾排阀13和氢气出口尾排阀14。
[0051]
所述燃料电池电堆1的冷却液入口和冷却液出口分别与所述水泵2的出口和所述外冷换热器4的入口相连，所述外冷换热器4的出口与所述水箱3的入口连接，所述水箱3的出口与所述水泵2的入口连接，形成冷却液循环闭路。
[0052]
所述燃料电池电堆1上设置有电堆空气入口5、电堆空气出口6、电堆氢气入口7和电堆氢气出口8，所述电堆空气入口5与所述压力表i连接，所述电堆空气出口6与所述空气出口尾排阀13连接，所述电堆氢气入口7与所述压力表ii连接，所述电堆氢气出口8与所述氢气出口尾排阀14连接。
[0053]
所述压力表i与所述压力表ii用于监测电堆空气入口与电堆氢气入口的气体压力。
[0054]
所述水箱3为圆柱形，直径为15cm，所述水箱3上设置有水箱排气孔11，用于排出氢气腔或空气腔中串入的气体。
[0055]
所述外冷换热器4上设置有外冷循环入口9和外冷循环出口10，用于通入外冷循环的介质，为所述燃料电池电堆1的冷却液降温。
[0056]
本发明还提供了一种燃料电池低温气密性检测方法，所述检测方法分为膜电极气密性检测方法和双极板气密性检测方法，具体检测步骤如下：
[0057]
电堆膜电极气密性检测：
[0058]
s1、将燃料电池低温气密性检测装置放置在低温环境中，并确认装置连接完好后，开启水泵2，使冷却液进入燃料电池电堆1中充分循环，直至注满燃料电池电堆1内部，在燃料电池电堆1温度达到预定值后继续循环5min，然后关闭水泵2；
[0059]
s2、分别向燃料电池电堆1氢气腔和空气腔中通入氢气和空气，并打开空气出口尾
排阀13和氢气出口尾排阀14，将空气侧流量调整到200ma/cm2电流密度所对应的空气流量，氢气侧为压力控制，通过压力表i和压力表ii监测燃料电池电堆1空气入口和燃料电池电堆1氢气入口的气体压力，保证氢气侧压力高于空气侧压力40kpa，通过巡检仪监测燃料电池电堆1的电压，在通入气体1min后记录巡检仪监测的燃料电池电堆1初始电压v0；
[0060]
s3、停止通入空气，将氢气出口尾排阀14关闭，氢气侧压力维持高于空气侧40kpa，1min后记录巡检仪监测的燃料电池电堆1终态电压v1；
[0061]
s4、计算燃料电池电堆1初始电压与终态电压差值δv和电压下降速率k，判断燃料电池电堆1膜电极气密性，间接比较不同电堆的膜电极气体泄漏量。
[0062]
所述电堆膜电极气密性检测的原理：膜电极气密性差主要体现在质子交换膜透气量大导致氢氧互窜，在燃料电池氢气腔和空气腔中分别通入氢气和空气后，在催化剂作用下，氢气和空气在质子交换膜燃料电池的两极形成电动势，若外电路处于断开状态时不形成电流，在气密性绝对良好的条件下，通入一定量气体后，其开路电压会保持稳定，但质子交换膜具有一定的透气性，随着时间的推移，其开路电压会不断下降，而且透气性越大，电压下降速率(k)越快，因此可根据电压下降速率判断膜电极的气密性。
[0063]
因此，根据电压下降速率k的计算公式，将检测中记录的数据带入，计算出电压下降速率k来判断燃料电池的气密性及透气量的大小，电压下降速率k公式如下：
[0064][0065]
式中：δt表示记录初始电压和终态电压的时间间隔；
[0066]v1
表示停止供气t min后的终态电压；
[0067]v0
表示通气后的初始电压。
[0068]
燃料电池的开路电压还受温度、压力、催化剂中铂含量和催化剂活性等因素影响，对于商业化燃料电池膜电极而言，在低温环境(t＜0℃)中，由于电池温度较低，也会导致开路电压下降。
[0069]
根据所述电堆膜电极气密性检测方法，对膜电极分别进行70℃、25℃、-30℃和-40℃气密性检测，实验结果如图2所示，分析图2数据可知，不同温度对应的终态电压v1存在明显差异，根据电压下降速率k公式计算电压下降速率，随着温度的不断升高，电压下降速率也逐渐增大，可知膜电极的气密性随着温度的不断升高也在逐渐变差，说明电堆膜电极在-40℃时的气密性最好，在70℃时的气密性最差，使用所述电堆膜电极气密性检测方法可有效判断膜电极气密性。
[0070]
根据所述电堆膜电极气密性检测方法，在相同温度条件下，对不同燃料电池电堆进行膜电极气密性检测，结果如图3所示，根据电压下降速率k公式计算1#电堆和2#电堆的电压下降速率k，1#电堆和2#电堆的初始电压v0基本相同，在停止供气1min后，1#电堆和2#电堆的终态电压v1出现差异，2#电堆的终态电压明显低于1#电堆的终态电压，因此，2#电堆的电压下降速率更大，膜电极的气密性更差，不同燃料电池电堆在相同时间内的电压下降速率存在明显的差异性，也说明不同电堆中膜电极的气密性存在差异。
[0071]
电堆双极板气密性检测：
[0072]
s1、将燃料电池低温气密性检测装置放置在低温环境中，并确认装置连接完好后，开启水阀2，使冷却液进入燃料电池电堆1中充分循环，直至注满电堆内部，在电堆温度达到
预定值后继续循环5min，然后关闭水泵2；
[0073]
s2、水泵2关闭1min后水箱液面稳定，记录此时水箱3的液面高度h0；
[0074]
s3、分别向电堆氢气腔和空气腔中通入氢气和空气，将空气侧流量调整为500ma/cm2电流密度所对应的空气流量，氢气侧为压力控制，调整空气出口尾排阀13和氢气出口尾排阀14，通过压力表i和压力表ii监测燃料电池电堆1空气入口和燃料电池电堆1氢气入口的气体压力，保证氢气侧压力高于空气侧压力20kpa；
[0075]
s4、参数设置完成后，待液面稳定1min后记录水箱3的液面高度h1；
[0076]
s5、对比记录的数据h0和h1，判断双极板气密性，若h0＜h1，则双极板气密性差，存在漏点，需进一步确认是氢气串水还是空气串水；
[0077]
s6、开启水泵2，使冷却液重新进入燃料电池电堆1中充分循环，直至注满电堆内部，在电堆温度达到预定值后继续循环5min，然后关闭水泵2；
[0078]
s7、水泵2关闭1min后，水箱液面稳定，记录此时水箱3的液面高度h0＇，保持h0＇＝h0；
[0079]
s8、向电堆氢气腔通入氢气并调整氢气出口尾排阀，通过压力表i和压力表ii监测空气侧和氢气侧压力，直至氢气侧压力为70kpa，空气侧压力为50kpa，待液面稳定1min后记录水箱3的液面高度h2；
[0080]
s9、通过对比δh＇、h2和h1的大小关系间接判断是哪一种气体串水，δh＇＝h
2-h1，若δh＇＝0则是氢气串水，若δh＇＜0且h2＞h0则为氢气和空气共同串水，若δh＇＜0且h2＝h0则为空气串水。
[0081]
所述双极板气密性检测的工作原理是：将燃料电池电堆/系统置于低温环境中，将冷却循环回路充满冷却液，并记录初始状态循环回路中冷却水箱3的液面高度h0，逐渐向电堆氢气腔内通入氢气，使氢气充满整个腔体，并控制压力稳定在p1，向空气腔内通入空气，并控制压力稳定在p2，观察整个过程冷却回路水箱3的液面变化并记录稳定t时间后的液面高度h1，根据通气前后液面高度变化δh判断双极板在低温环境中气密性及漏量相对大小，进一步的可通过比较δh、h2和h0的大小关系判断是氢气串水、空气串水还是氢气和空气同时串水。
[0082]
按照所述电堆双极板气密性检测方法，对不同材料和胶线密封结构的双极板分别进行25℃、-30℃和-40℃下的气密性检测，所用膜电极的厚度也存在差异，使空气入口处的压力达到50kpa，氢气侧入口压力为70kpa，试验结果如表1所示，分析表1中数据可知，3#电堆在常温和低温条件下双极板的气密性良好，无明显窜气现象；4#电堆在常温下双极板的气密性良好，在-30℃和-40℃条件下双极板的气密性较差，出现严重的氢氧串水，且在-40℃时窜漏量要大于-30℃时的量，说明不同材料和胶线密封结构的双极板的气密性存在差异。
[0083]
表1电堆气密性检测数据表
[0084][0085]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。