CN103063375A - 一种研究燃料电池电堆组装力与密封性的在线测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究燃料电池电堆组装力与密封性的在线测试方法，其特征在于包括如下步骤：按照燃料电池组装方法组装电堆；将组装好的电堆放在液晶数显万能实验机上，施加压力保持恒定；将一个上端板封头上的气体接口用堵头封堵，另一个上端板封头与三通连接进行气密性测试；开启高压氮气钢瓶，调节减压阀直至精密压力表显示为所需测试值时保持稳定，并观察精密压力表在预设时间内的变化情况；测试完毕后，如无泄漏情况，将测试装置与电堆分离，使用扭矩扳手将螺帽旋紧直至液晶面板上显示压力为零时停止。本发明在组装过程中即可监测燃料电池电堆是否出现气体泄漏，及时修正，有效降低了因拆卸电堆而造成的损失，从而提高了工作效率。

Description

一种研究燃料电池电堆组装力与密封性的在线测试方法

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池电堆的密封性检测，具体地说是一种研究燃料电池电堆组装力与密封性的在线测试方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种直接利用氢能的发电装置，PEMFC把贮存在氢燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，能量转化效率高；燃料电池环境友好，唯一排放物是水。因此，燃料电池技术被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。

质子交换膜燃料电池堆组通常包括：（1）燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料（如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体）和氧化剂（主要是氧气或空气）均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体（如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；（3）燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

质子交换膜燃料电池可用作一切车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、移动式、固定式的发电装置。为了确保质子交换膜燃料电池中的燃料与氧化剂能够分布到整个膜电极两边表面上而又不产生混合，密封技术就非常关键。如果密封不好，可能会产生两种情况：一种情况是燃料气体与氧化剂气体在燃料电池内部混合。在采用氢与氧运行的燃料电池中，这种混合是非常致命的，一旦引发爆炸，破坏力非常大；另一情况是燃料气体或氧化剂气体向燃料电池外部渗漏，这种情况不但会降低燃料电池的效率，而且一旦当燃料氢气在外界浓度积累达到一定程度时，就会发生爆炸。因此，要十分重视燃料电池密封技术。

密封技术可以提供燃料电池系统运行的安全与性能保证，现有密封技术主要是在燃料电池组装过程中通过将膜电极作整齐的裁剪，并在膜电极的四周用弹性体如橡胶材料作包裹性的密封，并与相对应的导流板（上面有密封槽）施加一定的组装力压紧，再用螺杆将电堆连同两侧端板一起紧固后进行电池系统综合性能测试。

现有技术中，在电池系统综合性能测试过程为同时接通燃料、氧化剂、冷却流体，密封材料可能由于本身质地原因，或者安装原因，再或者其它因素导致电堆气密性下降，先抛除燃料气体与氧化剂气体在燃料电池内部混合这种可能，单从燃料气体或氧化剂气体向燃料电池外部渗漏方面来看分析，这种情况会大大降低工作效率，同时也会造成很大经济损失。导致的原因如下：将燃料电池拆开寻找漏气点，此项工作非常费时，直接降低工作效率；原先的密封件设置在双极板上，尽管密封件原先与双极板上面的密封槽表面有胶粘剂，但由于密封件长期与膜电极的某些密封区域的端面紧固在一起，己经产生较大的粘附力，当拆开电堆让双极板与膜电极分离时，往往密封件被撕拉下来，并发生变形，不但导致无法重新装配，而且密封件变形后已经无法重复使用，造成经济损失。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种研究燃料电池电堆组装力与密封性的在线测试方法。该方法通过在燃料电池组装过程中借助在线气密性测试设备对已施加一定组装力的燃料电池堆进行在线气密性测试，从而达到对电堆气密性预知的效果。

本发明采用的技术手段如下：

一种研究燃料电池电堆组装力与密封性的在线测试方法，其特征在于包括如下步骤：

1）按照燃料电池组装方法组装电堆，所述电堆由燃料电池双极板与MEA交替叠合而成，且将各单体之间嵌入密封件，将所述电堆放在下端板上；将上端板置于所述电堆的上端，螺杆从所述上端板穿行到所述下端板，将螺帽旋在所述螺杆上，并将两个设有气体接口Ⅰ、气体接口Ⅱ和气体接口Ⅲ的上端板封头固定在所述上端板上；

2）将组装好的所述电堆放在液晶数显万能实验机上，施加压力到预设的组装力后将所述液晶数显万能实验机的压力保持恒定；

3）将一个上端板封头上的气体接口Ⅰ、气体接口Ⅱ和气体接口Ⅲ分别用堵头封堵，将连通有高压氮气钢瓶的三通管路的至少一支管路与另一个上端板封头上的气体接口Ⅰ、气体接口Ⅱ和气体接口Ⅲ中相应的气体接口连接，其余管路和气体接口封堵后进行气密性测试；

4）开启所述高压氮气钢瓶，调节减压阀直至精密压力表显示为所需测试值时保持稳定，关闭所述高压氮气钢瓶，并观察所述精密压力表在预设时间内的变化情况；

5）测试完毕后，如有泄漏情况，检查漏点并进行修正，修正后重复步骤1）至步骤4）；如无泄漏情况，将测试装置与所述电堆分离，使用扭矩扳手将螺帽旋紧直至液晶面板上显示压力为零时停止。

优选地，所述气体接口Ⅰ、所述气体接口Ⅱ和所述气体接口Ⅲ分别为燃料腔接口，冷却剂腔接口和氧化剂腔接口。

优选地，步骤3）中所述的气密性测试包括电池堆外漏测试，电池燃料腔、氧化剂腔密封性测试和电池燃料腔、氧化剂腔与冷却剂腔密封性测试。

优选地，所述电池堆外漏测试是将所述三通管路的三支管路分别与上端板封头上的气体接口Ⅰ、气体接口Ⅱ和气体接口Ⅲ相连，然后进行步骤4）和步骤5）；

所述电池燃料腔、氧化剂腔密封性测试是将所述三通管路中的两支管路分别气体接口Ⅰ和气体接口Ⅲ相连，所述三通管路的另一支管路封堵，将气体泄漏速度测试计与所述气体接口Ⅱ相连，然后进行步骤4），并观察所述气体泄漏速度测试计在预设时间内的变化情况，再进行步骤5）；

所述电池燃料腔、氧化剂腔与冷却剂腔密封性测试是将所述三通管路中的一支管路与所述气体接口Ⅰ或所述气体接口Ⅲ相连，所述三通管路的另两支管路封堵，将所述气体泄漏速度测试计与所述气体接口Ⅲ或所述气体接口Ⅰ相连，并将所述气体接口Ⅱ封堵，然后进行步骤4），并观察所述气体泄漏速度测试计在预设时间内的变化情况，再进行步骤5）。

优选地，所述精密压力表的测量精度为0.002MP。

优选地，所述气体泄漏速度测试计的测量精度为0.1ML。

本发明所述的液晶数显万能实验机可进行高精度的压力、拉力等实验；所述预设的组装力是根据电堆的材质以及综合特性而得的相关经验值。

本发明具有以下优点：

1、本发明在组装过程中即可监测燃料电池是否出现气体泄漏，如果发现泄露则可以及时检查漏点并进行修正，如此避免了电堆正常运行过程中出现泄漏进行的拆堆查漏所消耗的时间，大大提高了工作效率；

2、本发明采用的电堆气密性在线测试方法，有效降低了因漏气而进行拆堆造成大量密封件的损失，间接提高了经济效益。

基于上述理由本发明可在燃料电池电堆测试等领域广泛推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明中所述电堆放置在液晶数显万能实验机内准备测试时的示意图。

图2是本发明中所述电堆固定上端板封头后的示意图。

图3是本发明中所述连接有三通管路的高压氮气钢瓶的示意图。

图4是本发明中所述气体泄漏速度测试计的示意图。

图中：1、液晶数显万能实验机2、上端板封头3、上端板4、电堆5、螺杆6、高压氮气钢瓶7、减压阀8、精密压力表9、三通管路10、气体泄漏速度测试计11、堵头12、气体接口Ⅰ13、气体接口Ⅱ14、气体接口Ⅲ

具体实施方式

如图1至图4所示，一种研究燃料电池电堆组装力与密封性的在线测试方法，所用装置主要包括液晶数显万能实验机1、高压氮气钢瓶6、精密压力表8、三通管路9以及气体泄漏速度测试计10等。

包括如下步骤：

首先，按照燃料电池组装方法组装电堆4，所述电堆4由燃料电池双极板与MEA交替叠合而成，且将各单体之间嵌入密封件，将所述电堆4放在下端板上；将上端板3置于所述电堆4的上端，螺杆5从所述上端板3穿行到所述下端板，将螺帽旋在所述螺杆5上且不旋紧，并将两个设有气体接口Ⅰ12、气体接口Ⅱ13和气体接口Ⅲ14的上端板封头2固定在所述上端板3上；

然后，将组装好的所述电堆4放在液晶数显万能实验机1上，施加压力到预设的组装力后将所述液晶数显万能实验机1的压力保持恒定；将一个上端板封头2上的气体接口Ⅰ12、气体接口Ⅱ13和气体接口Ⅲ14分别用堵头11封堵，所述气体接口Ⅰ12、所述气体接口Ⅱ13和所述气体接口Ⅲ14分别为燃料腔接口，冷却剂腔接口和氧化剂腔接口。

最后，将连通有高压氮气钢瓶6的三通管路9与另一个上端板封头2上的气体接口连通，进行气密性测试，所述的气密性测试包括电池堆外漏测试，电池燃料腔、氧化剂腔密封性测试和电池燃料腔、氧化剂腔与冷却剂腔密封性测试。

所述电池堆外漏测试是将所述三通管路9的三支管路分别与上端板封头2上的气体接口Ⅰ12、气体接口Ⅱ13和气体接口Ⅲ14相连，开启高压氮气钢瓶6，同时调节减压阀7直至精密压力表8显示为所需测试值时，保持此值稳定后关闭高压氮气钢瓶6，观察精密压力表8显示值在预设时间内是否有变化，做好相应记录。

所述电池燃料腔、氧化剂腔密封性测试是将所述三通管路9中的两支管路分别气体接口Ⅰ12和气体接口Ⅲ14相连，所述三通管路9的另一支管路封堵，将气体泄漏速度测试计10与所述气体接口Ⅱ13相连，开启高压氮气钢瓶6，同时调节减压阀7直至精密压力表8显示为所需测试值时，保持此值稳定后，观察气体泄漏速度测试计10在预设时间内的变化值，做好相应记录。

所述电池燃料腔、氧化剂腔与冷却剂腔密封性测试是将所述三通管路9中的一支管路与所述气体接口Ⅰ12或所述气体接口Ⅲ14相连，所述三通管路9的另两支管路封堵，将所述气体泄漏速度测试计10与所述气体接口Ⅲ14或所述气体接口Ⅰ12相连，并将所述气体接口Ⅱ13封堵，开启高压氮气钢瓶6，同时调节减压阀7直至精密压力表8显示为所需测试值时，保持此值稳定后，观察气体泄漏速度测试计10在预设时间内的变化值，做好相应记录。

至此，燃料电池电堆组装力与密封性在线测试完毕，如果测试值在规定范围内则说明组装力满足气密性要求，用螺杆将电堆连同两侧端板一起紧固后可进行下一步电池系统综合性能测。如有泄漏情况，检查漏点并进行修正，修正后重复之前的步骤。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种研究燃料电池电堆组装力与密封性的在线测试方法，其特征在于包括如下步骤：

1）按照燃料电池组装方法组装电堆（4），所述电堆（4）由燃料电池双极板与MEA交替叠合而成，且将各单体之间嵌入密封件，将所述电堆（4）放在下端板上；将上端板（3）置于所述电堆（4）的上端，螺杆（5）从所述上端板（3）穿行到所述下端板，将螺帽旋在所述螺杆（5）上，并将两个设有气体接口Ⅰ（12）、气体接口Ⅱ（13）和气体接口Ⅲ（14）的上端板封头（2）固定在所述上端板（3）上；

2）将组装好的所述电堆（4）放在液晶数显万能实验机（1）上，施加压力到预设的组装力后将所述液晶数显万能实验机（1）的压力保持恒定；

3）将一个上端板封头（2）上的气体接口Ⅰ（12）、气体接口Ⅱ（13）和气体接口Ⅲ（14）分别用堵头（11）封堵，将连通有高压氮气钢瓶（6）的三通管路（9）的至少一支管路与另一个上端板封头（2）上的气体接Ⅰ（12）、气体接口Ⅱ（13）和气体接口Ⅲ（14）中相应的气体接口连接，其余管路和气体接口封堵后进行气密性测试；

4）开启所述高压氮气钢瓶（6），调节减压阀（7）直至精密压力表（8）显示为所需测试值时保持稳定，关闭所述高压氮气钢瓶（6），并观察所述精密压力表（8）在预设时间内的变化情况；

5）测试完毕后，如有泄漏情况，检查漏点并进行修正，修正后重复步骤1）至步骤4）；如无泄漏情况，将测试装置与所述电堆（4）分离，使用扭矩扳手将螺帽旋紧直至液晶面板上显示压力为零时停止。

2.根据权利要求1所述的一种研究燃料电池电堆组装力与密封性的在线测试方法，其特征在于：所述气体接口Ⅰ（12）、所述气体接口Ⅱ（13）和所述气体接口Ⅲ（14）分别为燃料腔接口，冷却剂腔接口和氧化剂腔接口。

3.根据权利要求1所述的一种研究燃料电池电堆组装力与密封性的在线测试方法，其特征在于：步骤3）中所述的气密性测试包括电池堆外漏测试，电池燃料腔、氧化剂腔密封性测试和电池燃料腔、氧化剂腔与冷却剂腔密封性测试。

4.根据权利要求2或3所述的一种研究燃料电池电堆组装力与密封性的在线测试方法，其特征在于：

所述电池堆外漏测试是将所述三通管路（9）的三支管路分别与上端板封头（2）上的气体接口Ⅰ（12）、气体接口Ⅱ（13）和气体接口Ⅲ（14）相连，然后进行步骤4）和步骤5）；

所述电池燃料腔、氧化剂腔密封性测试是将所述三通管路（9）中的两支管路分别气体接口Ⅰ（12）和气体接口Ⅲ（14）相连，所述三通管路（9）的另一支管路封堵，将气体泄漏速度测试计（10）与所述气体接口Ⅱ（13）相连，然后进行步骤4），并观察所述气体泄漏速度测试计（10）在预设时间内的变化情况，再进行步骤5）；

所述电池燃料腔、氧化剂腔与冷却剂腔密封性测试是将所述三通管路（9）中的一支管路与所述气体接口Ⅰ（12）或所述气体接口Ⅲ（14）相连，所述三通管路（9）的另两支管路封堵，将所述气体泄漏速度测试计（10）与所述气体接口Ⅲ（14）或所述气体接口Ⅰ（12）相连，并将所述气体接口Ⅱ（13）封堵，然后进行步骤4），并观察所述气体泄漏速度测试计（10）在预设时间内的变化情况，再进行步骤5）。

5.根据权利要求1所述的一种研究燃料电池电堆组装力与密封性的在线测试方法，其特征在于：所述精密压力表（8）的测量精度为0.002MP。

6.根据权利要求1所述的一种研究燃料电池电堆组装力与密封性的在线测试方法，其特征在于：所述气体泄漏速度测试计（10）的测量精度为0.1ML。

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