一種燃料電池電堆泄漏率測試裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及燃料電池電堆泄漏率測試裝置及方法，所述的裝置包括氦氣瓶、進(jìn)氣總管，還包括11個(gè)電磁閥、1個(gè)精密壓力傳感器、1個(gè)比例調(diào)壓閥、1個(gè)安全閥、1個(gè)定容器和相應(yīng)的壓力表、管路等。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明裝置可實(shí)現(xiàn)氣體保壓測試以及電堆內(nèi)漏、外漏時(shí)泄漏率的自動(dòng)、精確測量，并實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖，自動(dòng)排放。通過對任意電堆氫腔、空氣腔和冷卻液腔各自體積的標(biāo)定，可實(shí)現(xiàn)空氣腔總泄漏、氫腔總泄漏、空氣腔外漏、氫腔外漏、冷卻液腔外漏、氫腔竄空氣腔泄漏、氫腔竄冷卻液腔泄漏和空氣腔竄冷卻液腔泄漏等八類常見的氣體泄漏率的自動(dòng)計(jì)算。
【專利說明】一種燃料電池電堆泄漏率測試裝置與方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及燃料電池，尤其是涉及一種燃料電池電堆泄漏率測試方法與裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]由于能源緊張和環(huán)境污染等問題日益突出，作為一種能量轉(zhuǎn)換裝置，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)因其能量轉(zhuǎn)換效率高、清潔無污染，兼之工作溫度低、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到各國政府、能源企業(yè)和汽車制造廠商的重視，紛紛開發(fā)基于PEMFC的移動(dòng)電源、發(fā)電裝置、各種類型的發(fā)電站和車用發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0003]PEMFC是一種電化學(xué)發(fā)電裝置，可以高效、無污染地將貯存在燃料(氫氣)中的化學(xué)能，通過與氧氣反應(yīng)而轉(zhuǎn)化成電能。它的基本原理如下:在陽極側(cè)通入一定壓力的氫氣，在陰極側(cè)通入一定壓力的空氣(在比較特殊的條件下，比如航天器或潛艇上，也可以采用純氧)；在陽極側(cè)，氫氣經(jīng)過陽極擴(kuò)散層的分布后，到達(dá)催化劑層，在催化劑的作用下產(chǎn)生電子和質(zhì)子；電子經(jīng)過外電路到達(dá)陰極，質(zhì)子經(jīng)過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極；在陰極，氧氣經(jīng)過陰極擴(kuò)散層后到達(dá)催化層，并在那里與電子和質(zhì)子相遇，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成水并產(chǎn)生電能。在此過程中，為了即時(shí)排除電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量，還需要將冷卻水(一般為去離子水或其與乙二醇的混合溶液)通入電池內(nèi)部進(jìn)行散熱。然而，對于氫氣、空氣與冷卻水這三種流體，它們都存在泄漏到電堆外部(即外漏)或竄入其它流體腔體中(即內(nèi)漏)去的風(fēng)險(xiǎn)。
[0004]在燃料電池正常工作時(shí)，其內(nèi)部的氫氣、空氣與水必須通過在各自的腔體和流道中流動(dòng)，不能外漏和互竄，否則會(huì)使燃料損失、電池性能衰減、發(fā)電效率下降，甚至產(chǎn)生安全隱患。防止這三種流體外漏和內(nèi)漏的部件包括質(zhì)子交換膜(也即膜電極組件(MEA))、雙極板和密封圈等。然而，在實(shí)際的工作過程中，質(zhì)子交換膜的薄膜特性和彈性體密封件的材料特性所限，流體的絕對不漏和不竄是做不到的，尤其是當(dāng)PEMFC電堆由數(shù)十片乃至數(shù)百片單電池串聯(lián)構(gòu)成時(shí)。究其原因，這些流體的泄漏主要是由于質(zhì)子交換膜的孔隙、雙極板(尤其是石墨雙極板)的孔隙以及密封圈的透氣率等材料固有性質(zhì)以及設(shè)計(jì)缺陷、加工誤差、組裝誤差等問題造成。
[0005]—般地，PEMFC電堆的外漏和互竄包括以下六種情況:氫氣腔外漏、空氣腔外漏、水腔外漏、氫氣/空氣腔互竄、氫氣/水腔互竄、空氣/水腔互竄。其中，后三種情況屬于內(nèi)漏，一般不具有方向性。比如，氫氣向空氣腔體的泄漏和空氣向氫氣腔體的泄漏是等效的。任何形式的外漏和互竄都是客觀存在的，追求絕對不漏的電堆在工程實(shí)踐中是不現(xiàn)實(shí)的，也是無意義的。但是，為了避免過多的電池性能和效率下降造成的損失，更為了防止燃燒、爆炸等安全隱患的發(fā)生，在電堆出廠前必須對其進(jìn)行各種泄漏率測試，對外漏和互竄原因進(jìn)行分析；同時(shí)還應(yīng)制訂相應(yīng)的測試規(guī)范，并對電堆泄漏率的允許限度做出規(guī)定。因此，電堆泄漏率的準(zhǔn)確測試對于制造廠商和用戶就顯得尤為重要了，因?yàn)橹挥芯邆渫暾?、可靠、重現(xiàn)性好的測試手段，才有可能形成電堆泄漏率測試的內(nèi)部規(guī)范甚至外部標(biāo)準(zhǔn)。
[0006]傳統(tǒng)的電堆氣密性測試方法多在燃料電池系統(tǒng)上進(jìn)行。
[0007]日本專利[JP231368/2005]提出了一種燃料電池系統(tǒng)的燃料氣體泄漏的判斷方法，通過檢測在燃料電池陽極側(cè)封閉空間內(nèi)的壓力變化，參照規(guī)定的氣體泄漏值判斷系統(tǒng)的氫腔是否存在泄漏。為了精確地確定氣體泄漏值，還充分考慮了空氣側(cè)滲漏至陽極側(cè)的氮?dú)獾挠绊憽?br> [0008]日本專利[JP 194377/2005]中還進(jìn)一步提出了通過將燃料電池系統(tǒng)分隔出多個(gè)連續(xù)的封閉空間，然后通過測量空氣或氫氣流動(dòng)方向上各封閉空間的壓力變化，來判斷各封閉空間中的氣體泄漏量。
[0009]中國專利[200880115085.0]中還提出了一種在燃料電池運(yùn)行過程中判斷其是否存在氫氣的外漏或互竄的方法。其關(guān)鍵還是依賴于壓力傳感器顯示的壓力變化，只不過此時(shí)還需要扣除由于發(fā)電消耗氫氣所引起的氣壓的下降。
[0010]上述專利均屬于基于燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的壓力變化而開發(fā)的各種氣體泄漏測試法，這些方法簡便、實(shí)用，并且易于實(shí)現(xiàn)車載應(yīng)用。但是，這些方法缺乏電堆本身泄漏率的客觀數(shù)據(jù)，且將電堆與車載輔助系統(tǒng)聯(lián)合測試，不易于區(qū)分引起泄漏的主要原因究竟是電堆還是輔助系統(tǒng)。
[0011]中國專利[201020515747.8]公布了一種簡易的MEA檢漏裝置。該裝置通過流量計(jì)或U型連通器測量膜厚度方向的泄漏率。因此該裝置僅能測試單片MEA的內(nèi)漏引起的泄漏率，無法對電堆的各種泄漏率進(jìn)行測試；而且在泄漏率極低時(shí)，利用通過流量計(jì)或U型連通器測量泄漏率是無法實(shí)現(xiàn)的。
[0012]中國專利[201210563724.8]公布了一種研究燃料電池電堆組裝力與密封性的在線測試方法。該方法對單獨(dú)的電堆進(jìn)行測試，在一定的組裝壓力下，采用精密壓力計(jì)測試氣體的保壓情況，并用皂膜流量計(jì)來測試泄漏率。然而，該方法只能測試氫氣和空氣向冷卻水腔同時(shí)內(nèi)漏時(shí)引起的總泄漏率，或者它們單獨(dú)往冷卻水腔泄漏時(shí)引起的單獨(dú)泄漏率；而對于外漏到環(huán)境的泄漏率卻無法測量。另一方面，同樣地，當(dāng)氣體泄漏率極低時(shí)，采用流量計(jì)無法實(shí)現(xiàn)泄漏率的準(zhǔn)確測量；而且皂膜流量計(jì)在使用過程中皂泡易破，影響測量的準(zhǔn)確性，也不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和處理。
[0013]韓國專利[KR 20080039147]公布了一種對電堆進(jìn)行泄漏測試的裝置。該裝置同樣采用精密壓力計(jì)對氫、空和冷卻水腔進(jìn)行保壓測試，將一定時(shí)間內(nèi)保壓的性能作為是否需要進(jìn)行電堆維護(hù)的判斷依據(jù)。該專利不涉及泄漏率的測量。
[0014]綜上所述，目前針對燃料電池泄漏率的測試方法都基于壓力下降和流量計(jì)測量這兩種原理。相比之下，電堆內(nèi)漏或外漏引起的壓力下降比流量計(jì)的測量更精確、響應(yīng)更靈敏。所以，本發(fā)明專利采用精密壓力計(jì)，通過合理的管路配制與閥門控制，實(shí)現(xiàn)燃料電池電堆各種內(nèi)漏、外漏引起的泄漏率的全自動(dòng)化測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種燃料電池電堆泄漏率測試裝置與方法。
[0016]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種燃料電池電堆泄漏率測試裝置，設(shè)置在燃料電池堆上，燃料電池堆前設(shè)有空氣進(jìn)氣支管、氫氣進(jìn)氣支管、冷卻液進(jìn)支管，燃料電池堆后設(shè)有空氣出氣支管、氫氣出氣支管、冷卻液出支管，其特征在于，所述的裝置包括氦氣瓶、進(jìn)氣總管，所述的氦氣瓶通過進(jìn)氣總管連接至燃料電池前分成兩條支路，其中第一支路a連接放空管，第二支路分成三路分別連接空氣進(jìn)氣支管、氫氣進(jìn)氣支管、冷卻液進(jìn)支管，所述的進(jìn)氣總管上依次設(shè)有調(diào)壓閥a、壓力傳感器a、自動(dòng)比例調(diào)壓閥、電磁閥b、壓力傳感器b、自動(dòng)安全閥，所述的第一支路上設(shè)有電磁閥C，該電磁閥c連接定容器，所述的第二支路上設(shè)有精密壓力傳感器和放空電磁閥a，所述的空氣進(jìn)氣支管上設(shè)有電磁閥d，氫氣進(jìn)氣支管上設(shè)有電磁閥f，冷卻液進(jìn)支管上設(shè)有電磁閥h，所述的空氣出氣支管上設(shè)有電磁閥e，氫氣出氣支管上設(shè)有電磁閥g，冷卻液出支管上設(shè)有電磁閥j，所述的放空管上設(shè)有放空電磁閥b。
[0017]所述的自動(dòng)比例調(diào)壓閥、電磁閥b、精密壓力傳感器、電磁閥C、電磁閥d，電磁閥f，電磁閥h，電磁閥e，電磁閥g，電磁閥j，放空電磁閥a、放空電磁閥b均連接工控機(jī)，通過工控機(jī)控制各電磁閥的開關(guān)。
[0018]一種采用所述裝置測試燃料電池電堆泄漏率的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0019](I)對已知容積V的定容器充氣至壓力P1，通過電磁閥控制將定位器與待測腔體相連通，測量電磁閥開啟后定容器壓力值P2，從而得出待測腔體的體積Vx ;
[0020](2)在測試時(shí)間t內(nèi)，通過精密壓力傳感器測量待測腔體的壓力下降值Λ P，從而得出相應(yīng)的泄漏率K。
[0021]所述的待測腔體的體積Vx通過以下公式計(jì)算得出:VX = P1XV + P2-V。
[0022]所述的泄漏率K通過以下公式計(jì)算得出:K = APXV + t。
[0023]所述的待測腔體包括燃料電池氫腔、空氣腔或冷卻液腔。
[0024]本發(fā)明采用跟氫氣性質(zhì)最為接近的鋼瓶裝氦氣做為檢測氣體，經(jīng)機(jī)械式電磁閥a和全自動(dòng)比例調(diào)壓閥，將氦氣壓力調(diào)至設(shè)定值，調(diào)節(jié)過程通過精密壓力傳感器進(jìn)行反饋。為了保證系統(tǒng)和電堆安全，避免陰陽極氣壓差過大造成的損壞，系統(tǒng)中設(shè)置了自動(dòng)安全閥和手動(dòng)排空閥，在壓力超過預(yù)設(shè)值時(shí)可自動(dòng)或手動(dòng)地將氣體排空。往氫氣腔、空氣腔和冷卻液腔充氣后，觀測精密壓力傳感器的壓力變化情況，來判斷是否存在泄漏。如果有泄漏，則測定其泄漏率。
[0025]泄漏率的測試前提是需要利用定容器標(biāo)定電堆氫氣腔、空氣腔和冷卻液腔各自的體積或整個(gè)電堆各流體腔體的總體積。以空氣腔體積的標(biāo)定方法為例，其具體的操作步驟如下:所有電磁閥均處于常閉狀態(tài)時(shí)，打開并設(shè)定電磁閥和全自動(dòng)比例調(diào)壓閥；再打開電磁閥b和電磁閥C，直至定容器內(nèi)壓力升至Pl (注意不能超過0.1MPa(表壓)的安全值)，此時(shí)電堆各流體腔體內(nèi)均為常壓；然后關(guān)閉電磁閥b，打開放空電磁閥b，此時(shí)定容器內(nèi)的壓力迅速降低至P2，并與空氣腔達(dá)到平衡。由于空氣腔升壓過程極其迅速，即使其存在泄漏，泄漏率在極短的時(shí)間內(nèi)也是可以忽略不計(jì)的。因此，空氣腔的體積(包含連接管路)Vx就可以通過下式進(jìn)行計(jì)算:
[0026]VX = P1XV + P2_V (I)
[0027]其中，V為定容器的體積。
[0028]同理，可以快速測定出氫腔體積Vh，冷卻液腔體積V。。
[0029]針對六種不同泄漏情況，分別設(shè)定了八個(gè)自動(dòng)控制測試模式，分別為空氣腔總泄漏、氫腔總泄漏、空氣腔外漏、氫腔外部泄漏、冷卻液腔外漏、氫腔竄空氣腔泄漏、氫腔竄冷卻液腔泄漏和空氣腔竄冷卻液腔泄漏。將每種控制模式下的電磁閥狀態(tài)通過工控機(jī)自動(dòng)控制。
[0030]在電堆某腔體存在外漏或內(nèi)漏時(shí)，精密壓力傳感器的壓力就會(huì)產(chǎn)生變化，變化值為ΛΡ。根據(jù)此變化值ΛΡ即可計(jì)算出相應(yīng)的泄漏率K:
[0031]K = APXV^-t (2)
[0032]其中，V為根據(jù)(I)式計(jì)算出的某流體腔的體積。
[0033]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明研究了電堆內(nèi)漏和外漏的機(jī)理和各自的泄漏率，結(jié)合各種電磁閥、調(diào)壓閥、壓力傳感器及定容器的運(yùn)用，開發(fā)了一套全自動(dòng)的泄漏率測量裝置。
[0034]本發(fā)明通過工控機(jī)加觸摸屏來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，氣體外漏和內(nèi)漏均通過精密壓力傳感器進(jìn)行判斷。泄漏率的大小可以通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的壓力下降值來表征，單位為kPa/min, Pa/sec, mbar/min等。但是為了使該值更準(zhǔn)確地應(yīng)用于不同的電堆,使其具備橫向可比性時(shí)，則需要測定單位時(shí)間內(nèi)的氣體泄漏體積，單位為mL/min，L/min等。在本發(fā)明中，為了測定氣體的泄漏率，首先通過定容器的方法確定燃料電池內(nèi)部各腔體的體積，然后根據(jù)各腔氣體壓力的下降值，計(jì)算出相應(yīng)的體積泄漏率。
[0035]本發(fā)明針對前述六種泄漏情況，提出了八類泄漏率的測試方法，并在一套測試裝置上實(shí)現(xiàn)；為此，通過八個(gè)不同泄漏工況，即空氣腔總泄漏(空氣外漏與內(nèi)漏的總量，包括從空氣腔向大氣、氫腔和冷卻液腔的泄漏量)、氫腔總泄漏(氫氣外漏與內(nèi)漏的總量，包括從氫腔向大氣、空氣腔和冷卻液腔的泄漏量)、空氣腔外漏、氫腔外漏、冷卻液腔外漏、氫腔竄空氣腔泄漏、氫腔竄冷卻液腔泄漏和空氣腔竄冷卻液腔泄漏。整個(gè)泄漏率測試過程無需人工干預(yù)，因此可避免人為操作造成的失誤和人為計(jì)數(shù)造成的誤差，最大限度地保證結(jié)果的可靠性和重現(xiàn)性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1燃料電池泄漏率測試裝置；
[0037]圖2空氣腔總泄漏測試時(shí)的裝置狀態(tài)圖；
[0038]圖3氫腔總泄漏測試時(shí)的裝置狀態(tài)圖；
[0039]圖4空氣腔外部泄漏測試時(shí)的裝置狀態(tài)圖；
[0040]圖5氫腔外漏測試時(shí)的裝置狀態(tài)圖；
[0041]圖6冷卻液腔外漏時(shí)的裝置狀態(tài)圖；
[0042]圖7空氣腔竄氫腔泄漏測試時(shí)的裝置狀態(tài)圖；
[0043]圖8空氣腔竄冷卻液腔泄漏時(shí)的裝置狀態(tài)圖；
[0044]圖9氫腔竄冷卻液腔泄漏測試時(shí)的裝置狀態(tài)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0045]針對全自動(dòng)測量燃料電池電堆中由各種內(nèi)漏和外漏引起的泄漏率的自動(dòng)化裝置，本發(fā)明的實(shí)施例是提供一種示例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，本發(fā)明除了能用于質(zhì)子交換膜燃料電池外，還能用于其它類型的燃料電池。
[0046]實(shí)施例
[0047]圖1是本發(fā)明所述的泄漏率測試裝置的結(jié)構(gòu)圖。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化地測試燃料電池電堆中的各種內(nèi)漏和外漏引起的泄漏率，該裝置主要包括11個(gè)電磁閥、I個(gè)精密壓力傳感器、I個(gè)比例調(diào)壓閥、I個(gè)安全閥、I個(gè)定容器和相應(yīng)的壓力表、管路等；所有泄漏率測試的功能的實(shí)現(xiàn)通過工控機(jī)來控制。
[0048]如圖1所示，一種燃料電池電堆泄漏率測試裝置，設(shè)置在燃料電池堆上，燃料電池堆前設(shè)有空氣進(jìn)氣支管、氫氣進(jìn)氣支管、冷卻液進(jìn)支管，燃料電池堆后設(shè)有空氣出氣支管、氫氣出氣支管、冷卻液出支管，其特征在于，所述的裝置包括氦氣瓶1、進(jìn)氣總管，所述的氦氣瓶I通過進(jìn)氣總管連接至燃料電池前分成兩條支路，其中第一支路a連接放空管，第二支路分成三路分別連接空氣進(jìn)氣支管、氫氣進(jìn)氣支管、冷卻液進(jìn)支管，所述的進(jìn)氣總管上依次設(shè)有調(diào)壓閥a2、壓力傳感器a3、自動(dòng)比例調(diào)壓閥4、電磁閥b5、壓力傳感器b6、自動(dòng)安全閥7，所述的第一支路上設(shè)有電磁閥c9，該電磁閥c9連接定容器10，所述的第二支路上設(shè)有精密壓力傳感器8和放空電磁閥al8,所述的空氣進(jìn)氣支管上設(shè)有電磁閥dl2,氫氣進(jìn)氣支管上設(shè)有電磁閥fl4,冷卻液進(jìn)支管上設(shè)有電磁閥hl6,所述的空氣出氣支管上設(shè)有電磁閥el3，氫氣出氣支管上設(shè)有電磁閥gl5，冷卻液出支管上設(shè)有電磁閥jl7，所述的放空管上設(shè)有放空電磁閥bll。所述的自動(dòng)比例調(diào)壓閥4、電磁閥b5、精密壓力傳感器8、電磁閥c9、電磁閥dl2，電磁閥Π4，電磁閥hl6，電磁閥el3，電磁閥gl5，電磁閥j 17，放空電磁閥al8、放空電磁閥bll均連接工控機(jī)19，通過工控機(jī)19控制各電磁閥的開關(guān)。
[0049]采用上述裝置測試燃料電池電堆泄漏率的方法，包括以下步驟:
[0050](I)對已知容積V的定容器充氣至壓力P1，通過電磁閥控制將定位器與待測腔體相連通，測量電磁閥開啟后定容器壓力值P2，從而通過以下公式計(jì)算得出待測腔體的體積Vx:VX = P1XV + P2-V ；
[0051](2)在測試時(shí)間t內(nèi)，通過精密壓力傳感器測量待測腔體的壓力下降值ΛΡ，從而通過以下公式計(jì)算得出相應(yīng)的泄漏率K:K = ΛΡΧν + U
[0052]所述的待測腔體包括燃料電池氫腔、空氣腔或冷卻液腔。
[0053]具體實(shí)例如下:
[0054]針對不同的燃料電池，為了精準(zhǔn)地計(jì)算出其各流體腔體的泄漏率，必須預(yù)先計(jì)算出各腔體的準(zhǔn)確體積。在本實(shí)施例中，除放空電磁閥bll和放空電磁閥al8為常開外，其它電磁閥均為常閉。這樣當(dāng)出現(xiàn)超壓等緊急情況時(shí)可采用急停按鈕將氣體壓力釋放出去，使電堆免受影響。選擇一個(gè)體積為1.5L的定容器10。以空氣腔體積的測量為例，打開并設(shè)定調(diào)壓閥2至0.1MPa,再設(shè)定全自動(dòng)比例調(diào)壓閥4至0.06MPa ;再打開電磁閥5和9，直至定容器10內(nèi)壓力上升至0.06MP，此時(shí)電堆各流體腔體內(nèi)均為常壓；然后關(guān)閉電磁閥b5，打開電磁閥dl2，此時(shí)定容器10內(nèi)的壓力迅速降低至0.04MPa，并與空氣腔達(dá)到平衡。由于空氣腔升壓過程極其迅速，即使其存在泄漏，泄漏率在極短的時(shí)間內(nèi)也是可以忽略不計(jì)的。因此，空氣腔的體積(包含連接管路)就可以通過下式進(jìn)行計(jì)算:
[0055]Va = 0.06X1.5 + 0.04-1.5 = 0.75 (L)(3)
[0056]該值被作為參數(shù)自動(dòng)計(jì)入本裝置的內(nèi)存中。
[0057]同樣的，可以計(jì)算出氫氣腔的體積Vh和冷卻液腔的體積V。。
[0058]燃料電池電堆中常見的六種泄漏包括:氫氣腔外漏、空氣腔外漏、水腔外漏、氫氣/空氣腔互竄、氫氣/水腔互竄、空氣/水腔互竄。對應(yīng)有八類泄露率，即空氣腔總泄漏、氫腔總泄漏、空氣腔外部泄漏、氫腔外漏、冷卻液腔外漏、氫腔竄空氣腔泄漏、氫腔竄冷卻液腔泄漏和空氣腔竄冷卻液腔泄漏。這八類泄漏率的測試過程分別敘述如下:
[0059]測試開始前，打開氦氣鋼瓶，設(shè)定電磁閥a2至0.1MPa,關(guān)閉放空電磁閥bll和放空電磁閥al8。
[0060]1.空氣腔總泄漏測試
[0061]設(shè)定全自動(dòng)比例調(diào)壓閥4至0.05MPa,然后打開電磁閥b5和電磁閥dl2,進(jìn)行充壓；同時(shí)打開氫氣出口處的電磁閥jl7和冷卻液出口電磁閥gl5，以便排出可能從空氣腔內(nèi)漏過來的氣體；待精密壓力傳感器8顯示的壓力值穩(wěn)定至0.05MPa后，關(guān)閉自動(dòng)比例調(diào)壓閥4和電磁閥b5。此時(shí)本發(fā)明裝置各電磁閥的開關(guān)狀態(tài)如圖2所示(圖中類似自動(dòng)比例調(diào)壓閥4的圖案為關(guān)閉狀態(tài)，類似電磁閥dl2的圖案狀態(tài)為開啟狀態(tài))。保壓測試持續(xù)t分鐘。通過觀察t時(shí)間內(nèi)的精密壓力傳感器8的壓力變化，即可判斷空氣腔總泄漏是否在允許范圍。若有必要，可以根據(jù)t時(shí)間內(nèi)精密壓力傳感器8的壓力變化值A(chǔ)P1,利用前述公式(2)，計(jì)算出泄漏率。
[0062]試驗(yàn)完畢后，打開放空電磁閥b 11、電磁閥e 13和放空電磁閥al8，排空空氣腔中的壓力。然后恢復(fù)所有電磁閥至初始狀態(tài)。
[0063]2.氫腔總漏測試
[0064]與空氣腔的外漏測試類似地，設(shè)定全自動(dòng)比例調(diào)壓閥4至0.05MPa，然后打開電磁閥b5和電磁閥hl6，進(jìn)行充壓；同時(shí)打開空氣出口電磁閥el3和冷卻液出口電磁閥gl5，以便排出可能從氫腔內(nèi)漏過來的氣體；待精密壓力傳感器8顯示的壓力值穩(wěn)定至0.05MPa后，關(guān)閉自動(dòng)比例調(diào)壓閥4和電磁閥b5。此時(shí)本發(fā)明裝置各電磁閥的開關(guān)狀態(tài)如圖3所示。保壓測試持續(xù)t分鐘。通過觀察t時(shí)間內(nèi)的精密壓力傳感器8的壓力變化，即可判斷氫腔總泄漏，是否在允許范圍。若有必要，可以根據(jù)t時(shí)間內(nèi)精密壓力傳感器8的壓力變化值ΛΡ2，利用前述公式(2)，計(jì)算出泄漏率。
[0065]試驗(yàn)完畢后，打開放空電磁閥bll、電磁閥jl7和放空電磁閥al8，排空氫氣腔中的壓力。然后恢復(fù)所有電磁閥至初始狀態(tài)。
[0066]3.空氣腔外漏測試
[0067]設(shè)定全自動(dòng)比例調(diào)壓閥4至0.05MPa,然后打開電磁閥b5、電磁閥dl2,電磁閥Π4，電磁閥hl6，對電堆各腔體進(jìn)行同時(shí)充壓；待精密壓力傳感器8顯示的壓力值穩(wěn)定至0.05MPa后，關(guān)閉自動(dòng)比例調(diào)壓閥4、電磁閥b5、電磁閥Π4和電磁閥hl6。此時(shí)本發(fā)明裝置各電磁閥的開關(guān)狀態(tài)如圖4所示。此時(shí)，空氣腔向氫腔和冷卻液腔的內(nèi)漏都不會(huì)發(fā)生，因?yàn)樗鼈兊膲毫取１簻y試持續(xù)t分鐘。通過觀察t時(shí)間內(nèi)的精密壓力傳感器8的壓力變化，即可判斷空氣腔外漏是否在允許范圍。若有必要，可以根據(jù)t時(shí)間內(nèi)精密壓力傳感器8的壓力變化值Λ P3,利用前述公式(2)，計(jì)算出泄漏率。
[0068]試驗(yàn)完畢后，打開放空電磁閥b 11、電磁閥e 13、電磁閥gl5、電磁閥j 17和放空電磁閥al8，排空空氣腔中的壓力。然后恢復(fù)所有電磁閥至初始狀態(tài)。
[0069]4.氫腔外漏
[0070]設(shè)定全自動(dòng)比例調(diào)壓閥4至0.05MPa,然后打開電磁閥5、電磁閥dl2、電磁閥Π4和電磁閥hl6，對電堆各腔體進(jìn)行同時(shí)充壓；待精密壓力傳感器8顯示的壓力值穩(wěn)定至0.05MPa后，關(guān)閉自動(dòng)比例調(diào)壓閥4、電磁閥b5、電磁閥dl2和電磁閥Π4。此時(shí)本發(fā)明裝置各電磁閥的開關(guān)狀態(tài)如圖5所示。此時(shí)，氫腔向空氣腔和冷卻液腔的內(nèi)漏都不會(huì)發(fā)生，因?yàn)樗鼈兊膲毫?。保壓測試持續(xù)t分鐘。通過觀察t時(shí)間內(nèi)的精密壓力傳感器8的壓力變化，即可判斷氫腔外漏是否在允許范圍。若有必要，可以根據(jù)t時(shí)間內(nèi)精密壓力傳感器8的壓力變化值Λ P4,利用前述公式(2)，計(jì)算出泄漏率。
[0071]試驗(yàn)完畢后，打開放空電磁閥bll、電磁閥el3、電磁閥gl5、電磁閥j 17和放空電磁閥al8，排空氫氣腔中的壓力。然后恢復(fù)所有電磁閥至初始狀態(tài)。
[0072]5.冷卻液腔外漏
[0073]設(shè)定全自動(dòng)比例調(diào)壓閥4至0.05MPa,然后打開電磁閥b5、電磁閥dl2、電磁閥Π4和電磁閥hl6，對電堆各腔體進(jìn)行同時(shí)充壓；待精密壓力傳感器8顯示的壓力值穩(wěn)定至
0.05MPa后，關(guān)閉自動(dòng)比例調(diào)壓閥4、電磁閥b5、電磁閥dl2和電磁閥hl6。此時(shí)本發(fā)明裝置各電磁閥的開關(guān)狀態(tài)如圖6所示。此時(shí)，冷卻液腔向空氣腔和氫腔的內(nèi)漏都不會(huì)發(fā)生，因?yàn)樗鼈兊膲毫?。保壓測試持續(xù)t分鐘。通過觀察t時(shí)間內(nèi)的精密壓力傳感器8的壓力變化，即可判斷冷卻液腔外漏是否在允許范圍。若有必要，可以根據(jù)t時(shí)間內(nèi)精密壓力傳感器8的壓力變化值ΛΡ5，利用前述公式(2)，計(jì)算出泄漏率。
[0074]試驗(yàn)完畢后，打開放空電磁閥bll、電磁閥el3、電磁閥gl5、電磁閥ejl7和放空電磁閥al8，排空空氣腔中的壓力。然后恢復(fù)所有電磁閥至初始狀態(tài)。
[0075]6.氫腔竄空氣腔泄漏
[0076]設(shè)定全自動(dòng)比例調(diào)壓閥4至0.05MPa,然后打開電磁閥b5、電磁閥dl2、電磁閥Π4和電磁閥jl7，對電堆空氣腔和冷卻液腔進(jìn)行同時(shí)充壓，此時(shí)氫腔則連通大氣；待精密壓力傳感器8顯示的壓力值穩(wěn)定至0.05MPa后，關(guān)閉比例調(diào)壓閥4、電磁閥b5和電磁閥f 14。此時(shí)本發(fā)明裝置各電磁閥的開關(guān)狀態(tài)如圖7所示。此時(shí)，空氣腔向冷卻液腔的內(nèi)漏不會(huì)發(fā)生，因?yàn)閮汕惑w的壓力相同。保壓測試持續(xù)t分鐘。通過觀察t時(shí)間內(nèi)的精密壓力傳感器8的壓力變化，即可判斷空氣腔向氫腔內(nèi)漏與向大氣外漏量的總和是否在允許范圍。此時(shí)，精密壓力傳感器8的壓力變化值A(chǔ)P6與上述3已測得的空氣腔外漏量AP3的差值即為空氣腔向氫腔的泄漏導(dǎo)致的壓力變化值，利用前述公式(2)，同樣可計(jì)算出泄漏率。
[0077]試驗(yàn)完畢后，打開放空電磁閥b 11、電磁閥e 13、電磁閥gl5和放空電磁閥al8，排空空氣腔和冷卻液腔中的壓力。然后恢復(fù)所有電磁閥至初始狀態(tài)。
[0078]7.空氣腔竄冷卻液腔泄漏
[0079]設(shè)定全自動(dòng)比例調(diào)壓閥4至0.05MPa,然后打開電磁閥b5、電磁閥dl2、電磁閥gl5和電磁閥hl6，對電堆空氣腔和氫腔進(jìn)行同時(shí)充壓，此時(shí)冷卻液腔則連通大氣；待精密壓力傳感器8顯不的壓力值穩(wěn)定至0.05MPa后,關(guān)閉自動(dòng)比例調(diào)壓閥4、電磁閥b5和電磁閥hl6。此時(shí)本發(fā)明裝置各電磁閥的開關(guān)狀態(tài)如圖8所示。此時(shí)，空氣腔向氫腔的內(nèi)漏不會(huì)發(fā)生，因?yàn)閮汕惑w的壓力相同。保壓測試持續(xù)t分鐘。通過觀察t時(shí)間內(nèi)的精密壓力傳感器8的壓力變化即可判斷空氣腔向冷卻液腔內(nèi)漏與向大氣外漏量的總和是否在允許范圍。此時(shí)，精密壓力傳感器8的壓力變化值A(chǔ)P7與上述3已測得的空氣腔外漏量AP3的差值即為空氣腔向冷卻液腔的泄漏導(dǎo)致的壓力變化，利用前述公式(2)，同樣可計(jì)算出泄漏率。
[0080]試驗(yàn)完畢后，打開放空電磁閥b 11、電磁閥e 13、電磁閥j 17和放空電磁閥al8，排空空氣腔和氫腔中的壓力。然后恢復(fù)所有電磁閥至初始狀態(tài)。
[0081]8.氫腔竄冷卻液腔泄漏
[0082]設(shè)定全自動(dòng)比例調(diào)壓閥4至0.05MPa,然后打開電磁閥b5、電磁閥dl2、電磁閥gl5和電磁閥hl6，對電堆空氣腔和氫腔進(jìn)行同時(shí)充壓，此時(shí)冷卻液腔則連通大氣；待精密壓力傳感器8顯示的壓力值穩(wěn)定至0.05MPa后，關(guān)閉自動(dòng)比例調(diào)壓閥4、電磁閥b5和電磁閥dl2。此時(shí)本發(fā)明裝置各電磁閥的開關(guān)狀態(tài)如圖9所示。此時(shí)，空氣腔向氫腔的內(nèi)漏不會(huì)發(fā)生，因?yàn)閮汕惑w的壓力相同。保壓測試持續(xù)t分鐘。通過觀察t時(shí)間內(nèi)的精密壓力傳感器的壓力變化，即可判斷氫腔向冷卻液腔內(nèi)漏與向大氣外漏量的總和是否在允許范圍。此時(shí)，精密壓力傳感器8的壓力變化值A(chǔ)P8與上述4已測得的氫腔外漏量AP4的差值即為空氣腔向冷卻液腔的泄漏導(dǎo)致的壓力變化，利用前述公式(2)，同樣可計(jì)算出泄漏率。
[0083]試驗(yàn)完畢后，打開放空電磁閥b 11、電磁閥e 13、電磁閥j 17和放空電磁閥al8，排空空氣腔和氫腔中的壓力。然后恢復(fù)所有電磁閥至初始狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池電堆泄漏率測試裝置，設(shè)置在燃料電池堆上，燃料電池堆前設(shè)有空氣進(jìn)氣支管、氫氣進(jìn)氣支管、冷卻液進(jìn)液支管，燃料電池堆后設(shè)有空氣出氣支管、氫氣出氣支管、冷卻液出液支管，其特征在于，所述的裝置包括氦氣瓶、進(jìn)氣總管，所述的氦氣瓶通過進(jìn)氣總管連接至燃料電池前分成兩條支路，其中第一支路a連接放空管，第二支路分成三路分別連接空氣進(jìn)氣支管、氫氣進(jìn)氣支管、冷卻液進(jìn)液支管，所述的進(jìn)氣總管上依次設(shè)有調(diào)壓閥a (2)、壓力傳感器a (3)、自動(dòng)比例調(diào)壓閥⑷、電磁閥b(5)、壓力傳感器b (6)、自動(dòng)安全閥(7)，所述的第一支路上設(shè)有電磁閥c(9)，該電磁閥c(9)連接定容器(10)，所述的第二支路上設(shè)有精密壓力傳感器(8)和放空電磁閥a(18)，所述的空氣進(jìn)氣支管上設(shè)有電磁閥d(12),氫氣進(jìn)氣支管上設(shè)有電磁閥f (14),冷卻液進(jìn)液支管上設(shè)有電磁閥h(16),所述的空氣出氣支管上設(shè)有電磁閥e(13)，氫氣出氣支管上設(shè)有電磁閥g(15)，冷卻液出液支管上設(shè)有電磁閥j (17)，所述的放空管上設(shè)有放空電磁閥b (11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池電堆泄漏率測試裝置，其特征在于，所述的自動(dòng)比例調(diào)壓閥(4)、電磁閥b(5)、精密壓力傳感器(8)、電磁閥c(9)、電磁閥d(12)，電磁閥f (14)，電磁閥h (16)，電磁閥e (13)，電磁閥g (15)，電磁閥j (17)，放空電磁閥a (18)、放空電磁閥b(ll)均連接工控機(jī)(19)，通過工控機(jī)(19)控制各電磁閥的開關(guān)。
3.一種采用權(quán)利要求1所述裝置測試燃料電池電堆泄漏率的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)對已知容積V的定容器充氣至壓力P1，通過電磁閥控制將定位器與待測腔體相連通，測量電磁閥開啟后定容器壓力值P2，從而得出待測腔體的體積Vx ; (2)在測試時(shí)間t內(nèi)，通過精密壓力傳感器測量待測腔體的壓力下降值△P，從而得出相應(yīng)的泄漏率K。
4.根據(jù)權(quán)利要求3采用所述裝置測試燃料電池電堆泄漏率的方法，其特征在于，所述的待測腔體的體積Vx通過以下公式計(jì)算得出:VX = P1XV + P2-V。
5.根據(jù)權(quán)利要求3采用所述裝置測試燃料電池電堆泄漏率的方法，其特征在于，所述的泄漏率K通過以下公式計(jì)算得出:K= APXV + t。
6.根據(jù)權(quán)利要求3采用所述裝置測試燃料電池電堆泄漏率的方法，其特征在于，所述的待測腔體包括燃料電池氫腔、空氣腔或冷卻液腔。
【文檔編號(hào)】G01M3/32GK104180958SQ201410428104
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】鄔敏忠, 呂忠斌 申請人:上海韋寧新能源科技發(fā)展有限公司