CN104180958B - 一种燃料电池电堆泄漏率测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池电堆泄漏率测试装置及方法，所述的装置包括氦气瓶、进气总管，还包括11个电磁阀、1个精密压力传感器、1个比例调压阀、1个安全阀、1个定容器和相应的压力表、管路等。与现有技术相比，本发明装置可实现气体保压测试以及电堆内漏、外漏时泄漏率的自动、精确测量，并实现安全联锁，自动排放。通过对任意电堆氢腔、空气腔和冷却液腔各自体积的标定，可实现空气腔总泄漏、氢腔总泄漏、空气腔外漏、氢腔外漏、冷却液腔外漏、氢腔窜空气腔泄漏、氢腔窜冷却液腔泄漏和空气腔窜冷却液腔泄漏等八类常见的气体泄漏率的自动计算。

Description

一种燃料电池电堆泄漏率测试装置与方法

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其是涉及一种燃料电池电堆泄漏率测试方法与装置。

背景技术

由于能源紧张和环境污染等问题日益突出，作为一种能量转换装置，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其能量转换效率高、清洁无污染，兼之工作温度低、功率密度高等优点，越来越受到各国政府、能源企业和汽车制造厂商的重视，纷纷开发基于PEMFC的移动电源、发电装置、各种类型的发电站和车用发动机。

PEMFC是一种电化学发电装置，可以高效、无污染地将贮存在燃料(氢气)中的化学能，通过与氧气反应而转化成电能。它的基本原理如下：在阳极侧通入一定压力的氢气，在阴极侧通入一定压力的空气(在比较特殊的条件下，比如航天器或潜艇上，也可以采用纯氧)；在阳极侧，氢气经过阳极扩散层的分布后，到达催化剂层，在催化剂的作用下产生电子和质子；电子经过外电路到达阴极，质子经过质子交换膜到达阴极；在阴极，氧气经过阴极扩散层后到达催化层，并在那里与电子和质子相遇，发生电化学反应生成水并产生电能。在此过程中，为了即时排除电化学反应过程中产生的热量，还需要将冷却水(一般为去离子水或其与乙二醇的混合溶液)通入电池内部进行散热。然而，对于氢气、空气与冷却水这三种流体，它们都存在泄漏到电堆外部(即外漏)或窜入其它流体腔体中(即内漏)去的风险。

在燃料电池正常工作时，其内部的氢气、空气与水必须通过在各自的腔体和流道中流动，不能外漏和互窜，否则会使燃料损失、电池性能衰减、发电效率下降，甚至产生安全隐患。防止这三种流体外漏和内漏的部件包括质子交换膜(也即膜电极组件(MEA))、双极板和密封圈等。然而，在实际的工作过程中，质子交换膜的薄膜特性和弹性体密封件的材料特性所限，流体的绝对不漏和不窜是做不到的，尤其是当PEMFC电堆由数十片乃至数百片单电池串联构成时。究其原因，这些流体的泄漏主要是由于质子交换膜的孔隙、双极板(尤其是石墨双极板)的孔隙以及密封圈的透气率等材料固有性质以及设计缺陷、加工误差、组装误差等问题造成。

一般地，PEMFC电堆的外漏和互窜包括以下六种情况：氢气腔外漏、空气腔外漏、水腔外漏、氢气/空气腔互窜、氢气/水腔互窜、空气/水腔互窜。其中，后三种情况属于内漏，一般不具有方向性。比如，氢气向空气腔体的泄漏和空气向氢气腔体的泄漏是等效的。任何形式的外漏和互窜都是客观存在的，追求绝对不漏的电堆在工程实践中是不现实的，也是无意义的。但是，为了避免过多的电池性能和效率下降造成的损失，更为了防止燃烧、爆炸等安全隐患的发生，在电堆出厂前必须对其进行各种泄漏率测试，对外漏和互窜原因进行分析；同时还应制订相应的测试规范，并对电堆泄漏率的允许限度做出规定。因此，电堆泄漏率的准确测试对于制造厂商和用户就显得尤为重要了，因为只有具备完整、可靠、重现性好的测试手段，才有可能形成电堆泄漏率测试的内部规范甚至外部标准。

传统的电堆气密性测试方法多在燃料电池系统上进行。

日本专利[JP 231368/2005]提出了一种燃料电池系统的燃料气体泄漏的判断方法，通过检测在燃料电池阳极侧封闭空间内的压力变化，参照规定的气体泄漏值判断系统的氢腔是否存在泄漏。为了精确地确定气体泄漏值，还充分考虑了空气侧渗漏至阳极侧的氮气的影响。

日本专利[JP 194377/2005]中还进一步提出了通过将燃料电池系统分隔出多个连续的封闭空间，然后通过测量空气或氢气流动方向上各封闭空间的压力变化，来判断各封闭空间中的气体泄漏量。

中国专利[200880115085.0]中还提出了一种在燃料电池运行过程中判断其是否存在氢气的外漏或互窜的方法。其关键还是依赖于压力传感器显示的压力变化，只不过此时还需要扣除由于发电消耗氢气所引起的气压的下降。

上述专利均属于基于燃料电池系统内部的压力变化而开发的各种气体泄漏测试法，这些方法简便、实用，并且易于实现车载应用。但是，这些方法缺乏电堆本身泄漏率的客观数据，且将电堆与车载辅助系统联合测试，不易于区分引起泄漏的主要原因究竟是电堆还是辅助系统。

中国专利[201020515747.8]公布了一种简易的MEA检漏装置。该装置通过流量计或U型连通器测量膜厚度方向的泄漏率。因此该装置仅能测试单片MEA的内漏引起的泄漏率，无法对电堆的各种泄漏率进行测试；而且在泄漏率极低时，利用通过流量计或U型连通器测量泄漏率是无法实现的。

中国专利[201210563724.8]公布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。该方法对单独的电堆进行测试，在一定的组装压力下，采用精密压力计测试气体的保压情况，并用皂膜流量计来测试泄漏率。然而，该方法只能测试氢气和空气向冷却水腔同时内漏时引起的总泄漏率，或者它们单独往冷却水腔泄漏时引起的单独泄漏率；而对于外漏到环境的泄漏率却无法测量。另一方面，同样地，当气体泄漏率极低时，采用流量计无法实现泄漏率的准确测量；而且皂膜流量计在使用过程中皂泡易破，影响测量的准确性，也不能实现数据的自动采集和处理。

韩国专利[KR 20080039147]公布了一种对电堆进行泄漏测试的装置。该装置同样采用精密压力计对氢、空和冷却水腔进行保压测试，将一定时间内保压的性能作为是否需要进行电堆维护的判断依据。该专利不涉及泄漏率的测量。

综上所述，目前针对燃料电池泄漏率的测试方法都基于压力下降和流量计测量这两种原理。相比之下，电堆内漏或外漏引起的压力下降比流量计的测量更精确、响应更灵敏。所以，本发明专利采用精密压力计，通过合理的管路配制与阀门控制，实现燃料电池电堆各种内漏、外漏引起的泄漏率的全自动化测量。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池电堆泄漏率测试装置与方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池电堆泄漏率测试装置，设置在燃料电池堆上，燃料电池堆前设有空气进气支管、氢气进气支管、冷却液进支管，燃料电池堆后设有空气出气支管、氢气出气支管、冷却液出支管，其特征在于，所述的装置包括氦气瓶、进气总管，所述的氦气瓶通过进气总管连接至燃料电池前分成两条支路，其中第一支路a连接放空管，第二支路分成三路分别连接空气进气支管、氢气进气支管、冷却液进支管，所述的进气总管上依次设有调压阀a、压力传感器a、自动比例调压阀、电磁阀b、压力传感器b、自动安全阀，所述的第一支路上设有电磁阀c，该电磁阀c连接定容器，所述的第二支路上设有精密压力传感器和放空电磁阀a，所述的空气进气支管上设有电磁阀d，氢气进气支管上设有电磁阀f，冷却液进支管上设有电磁阀h，所述的空气出气支管上设有电磁阀e，氢气出气支管上设有电磁阀g，冷却液出支管上设有电磁阀j，所述的放空管上设有放空电磁阀b。

所述的自动比例调压阀、电磁阀b、精密压力传感器、电磁阀c、电磁阀d，电磁阀f，电磁阀h，电磁阀e，电磁阀g，电磁阀j，放空电磁阀a、放空电磁阀b均连接工控机，通过工控机控制各电磁阀的开关。

一种采用所述装置测试燃料电池电堆泄漏率的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)对已知容积V的定容器充气至压力P1，通过电磁阀控制将定容器与待测腔体相连通，测量电磁阀开启后定容器压力值P2，从而得出待测腔体的体积V_x；

(2)在测试时间t内，通过精密压力传感器测量待测腔体的压力下降值ΔP，从而得出相应的泄漏率K。

所述的待测腔体的体积V_x通过以下公式计算得出：V_x＝P1×V÷P2－V。

所述的泄漏率K通过以下公式计算得出：K＝ΔP×V÷t。

所述的待测腔体包括燃料电池氢腔、空气腔或冷却液腔。

本发明采用跟氢气性质最为接近的钢瓶装氦气做为检测气体，经机械式电磁阀a和自动比例调压阀，将氦气压力调至设定值，调节过程通过精密压力传感器进行反馈。为了保证系统和电堆安全，避免阴阳极气压差过大造成的损坏，系统中设置了自动安全阀和手动排空阀，在压力超过预设值时可自动或手动地将气体排空。往氢气腔、空气腔和冷却液腔充气后，观测精密压力传感器的压力变化情况，来判断是否存在泄漏。如果有泄漏，则测定其泄漏率。

泄漏率的测试前提是需要利用定容器标定电堆氢气腔、空气腔和冷却液腔各自的体积或整个电堆各流体腔体的总体积。以空气腔体积的标定方法为例，其具体的操作步骤如下：所有电磁阀均处于常闭状态时，打开并设定电磁阀和自动比例调压阀；再打开电磁阀b和电磁阀c，直至定容器内压力升至P1(注意不能超过0.1MPa(表压)的安全值)，此时电堆各流体腔体内均为常压；然后关闭电磁阀b，打开放空电磁阀b，此时定容器内的压力迅速降低至P2，并与空气腔达到平衡。由于空气腔升压过程极其迅速，即使其存在泄漏，泄漏率在极短的时间内也是可以忽略不计的。因此，空气腔的体积(包含连接管路)V_x就可以通过下式进行计算：

V_x＝P1×V÷P2－V (1)

其中，V为定容器的体积。

同理，可以快速测定出氢腔体积V_H，冷却液腔体积V_C。

针对六种不同泄漏情况，分别设定了八个自动控制测试模式，分别为空气腔总泄漏、氢腔总泄漏、空气腔外漏、氢腔外部泄漏、冷却液腔外漏、氢腔窜空气腔泄漏、氢腔窜冷却液腔泄漏和空气腔窜冷却液腔泄漏。将每种控制模式下的电磁阀状态通过工控机自动控制。

在电堆某腔体存在外漏或内漏时，精密压力传感器的压力就会产生变化，变化值为ΔP。根据此变化值ΔP即可计算出相应的泄漏率K：

K＝ΔP×V÷t (2)

其中，V为根据(1)式计算出的某流体腔的体积。

与现有技术相比，本发明研究了电堆内漏和外漏的机理和各自的泄漏率，结合各种电磁阀、调压阀、压力传感器及定容器的运用，开发了一套全自动的泄漏率测量装置。

本发明通过工控机加触摸屏来实现自动化控制，气体外漏和内漏均通过精密压力传感器进行判断。泄漏率的大小可以通过计算单位时间内的压力下降值来表征，单位为kPa/min，Pa/sec，mbar/min等。但是为了使该值更准确地应用于不同的电堆，使其具备横向可比性时，则需要测定单位时间内的气体泄漏体积，单位为mL/min，L/min等。在本发明中，为了测定气体的泄漏率，首先通过定容器的方法确定燃料电池内部各腔体的体积，然后根据各腔气体压力的下降值，计算出相应的体积泄漏率。

本发明针对前述六种泄漏情况，提出了八类泄漏率的测试方法，并在一套测试装置上实现；为此，通过八个不同泄漏工况，即空气腔总泄漏(空气外漏与内漏的总量，包括从空气腔向大气、氢腔和冷却液腔的泄漏量)、氢腔总泄漏(氢气外漏与内漏的总量，包括从氢腔向大气、空气腔和冷却液腔的泄漏量)、空气腔外漏、氢腔外漏、冷却液腔外漏、氢腔窜空气腔泄漏、氢腔窜冷却液腔泄漏和空气腔窜冷却液腔泄漏。整个泄漏率测试过程无需人工干预，因此可避免人为操作造成的失误和人为计数造成的误差，最大限度地保证结果的可靠性和重现性。

附图说明

图1燃料电池泄漏率测试装置；

图2空气腔总泄漏测试时的装置状态图；

图3氢腔总泄漏测试时的装置状态图；

图4空气腔外部泄漏测试时的装置状态图；

图5氢腔外漏测试时的装置状态图；

图6冷却液腔外漏时的装置状态图；

图7空气腔窜氢腔泄漏测试时的装置状态图；

图8空气腔窜冷却液腔泄漏时的装置状态图；

图9氢腔窜冷却液腔泄漏测试时的装置状态图。

具体实施方式

针对全自动测量燃料电池电堆中由各种内漏和外漏引起的泄漏率的自动化装置，本发明的实施例是提供一种示例。本领域技术人员应该明白，本发明除了能用于质子交换膜燃料电池外，还能用于其它类型的燃料电池。

实施例

图1是本发明所述的泄漏率测试装置的结构图。为了实现自动化地测试燃料电池电堆中的各种内漏和外漏引起的泄漏率，该装置主要包括11个电磁阀、1个精密压力传感器、1个比例调压阀、1个安全阀、1个定容器和相应的压力表、管路等；所有泄漏率测试的功能的实现通过工控机来控制。

如图1所示，一种燃料电池电堆泄漏率测试装置，设置在燃料电池堆上，燃料电池堆前设有空气进气支管、氢气进气支管、冷却液进支管，燃料电池堆后设有空气出气支管、氢气出气支管、冷却液出支管，其特征在于，所述的装置包括氦气瓶1、进气总管，所述的氦气瓶1通过进气总管连接至燃料电池前分成两条支路，其中第一支路a连接放空管，第二支路分成三路分别连接空气进气支管、氢气进气支管、冷却液进支管，所述的进气总管上依次设有调压阀a2、压力传感器a3、自动比例调压阀4、电磁阀b5、压力传感器b6、自动安全阀7，所述的第一支路上设有电磁阀c9，该电磁阀c9连接定容器10，所述的第二支路上设有精密压力传感器8和放空电磁阀a18，所述的空气进气支管上设有电磁阀d12，氢气进气支管上设有电磁阀f14，冷却液进支管上设有电磁阀h16，所述的空气出气支管上设有电磁阀e13，氢气出气支管上设有电磁阀g15，冷却液出支管上设有电磁阀j17，所述的放空管上设有放空电磁阀b11。所述的自动比例调压阀4、电磁阀b5、精密压力传感器8、电磁阀c9、电磁阀d12，电磁阀f14，电磁阀h16，电磁阀e13，电磁阀g15，电磁阀j17，放空电磁阀a18、放空电磁阀b11均连接工控机19，通过工控机19控制各电磁阀的开关。

采用上述装置测试燃料电池电堆泄漏率的方法，包括以下步骤：

(1)对已知容积V的定容器充气至压力P1，通过电磁阀控制将定容器与待测腔体相连通，测量电磁阀开启后定容器压力值P2，从而通过以下公式计算得出待测腔体的体积V_x：V_x＝P1×V÷P2－V；

(2)在测试时间t内，通过精密压力传感器测量待测腔体的压力下降值ΔP，从而通过以下公式计算得出相应的泄漏率K：K＝ΔP×V÷t。

所述的待测腔体包括燃料电池氢腔、空气腔或冷却液腔。

具体实例如下：

针对不同的燃料电池，为了精准地计算出其各流体腔体的泄漏率，必须预先计算出各腔体的准确体积。在本实施例中，除放空电磁阀b11和放空电磁阀a18为常开外，其它电磁阀均为常闭。这样当出现超压等紧急情况时可采用急停按钮将气体压力释放出去，使电堆免受影响。选择一个体积为1.5L的定容器10。以空气腔体积的测量为例，打开并设定调压阀2至0.1MPa，再设定自动比例调压阀4至0.06MPa；再打开电磁阀5和9，直至定容器10内压力上升至0.06MP，此时电堆各流体腔体内均为常压；然后关闭电磁阀b5，打开电磁阀d12，此时定容器10内的压力迅速降低至0.04MPa，并与空气腔达到平衡。由于空气腔升压过程极其迅速，即使其存在泄漏，泄漏率在极短的时间内也是可以忽略不计的。因此，空气腔的体积(包含连接管路)就可以通过下式进行计算：

V_A＝0.06×1.5÷0.04－1.5＝0.75(L) (3)

该值被作为参数自动计入本装置的内存中。

同样的，可以计算出氢气腔的体积V_H和冷却液腔的体积V_C。

燃料电池电堆中常见的六种泄漏包括：氢气腔外漏、空气腔外漏、水腔外漏、氢气/空气腔互窜、氢气/水腔互窜、空气/水腔互窜。对应有八类泄露率，即空气腔总泄漏、氢腔总泄漏、空气腔外部泄漏、氢腔外漏、冷却液腔外漏、氢腔窜空气腔泄漏、氢腔窜冷却液腔泄漏和空气腔窜冷却液腔泄漏。这八类泄漏率的测试过程分别叙述如下：

测试开始前，打开氦气钢瓶，设定电磁阀a2至0.1MPa，关闭放空电磁阀b11和放空电磁阀a18。

1.空气腔总泄漏测试

设定自动比例调压阀4至0.05MPa，然后打开电磁阀b5和电磁阀d12，进行充压；同时打开氢气出口处的电磁阀j17和冷却液出口电磁阀g15，以便排出可能从空气腔内漏过来的气体；待精密压力传感器8显示的压力值稳定至0.05MPa后，关闭自动比例调压阀4和电磁阀b5。此时本发明装置各电磁阀的开关状态如图2所示(图中类似自动比例调压阀4的图案为关闭状态，类似电磁阀d12的图案状态为开启状态)。保压测试持续t分钟。通过观察t时间内的精密压力传感器8的压力变化，即可判断空气腔总泄漏是否在允许范围。若有必要，可以根据t时间内精密压力传感器8的压力变化值ΔP₁，利用前述公式(2)，计算出泄漏率。

试验完毕后，打开放空电磁阀b11、电磁阀e 13和放空电磁阀a18，排空空气腔中的压力。然后恢复所有电磁阀至初始状态。

2.氢腔总漏测试

与空气腔的外漏测试类似地，设定自动比例调压阀4至0.05MPa，然后打开电磁阀b5和电磁阀h16，进行充压；同时打开空气出口电磁阀e13和冷却液出口电磁阀g15，以便排出可能从氢腔内漏过来的气体；待精密压力传感器8显示的压力值稳定至0.05MPa后，关闭自动比例调压阀4和电磁阀b5。此时本发明装置各电磁阀的开关状态如图3所示。保压测试持续t分钟。通过观察t时间内的精密压力传感器8的压力变化，即可判断氢腔总泄漏，是否在允许范围。若有必要，可以根据t时间内精密压力传感器8的压力变化值ΔP₂，利用前述公式(2)，计算出泄漏率。

试验完毕后，打开放空电磁阀b11、电磁阀j17和放空电磁阀a18，排空氢气腔中的压力。然后恢复所有电磁阀至初始状态。

3.空气腔外漏测试

设定自动比例调压阀4至0.05MPa，然后打开电磁阀b5、电磁阀d12，电磁阀f14，电磁阀h16，对电堆各腔体进行同时充压；待精密压力传感器8显示的压力值稳定至0.05MPa后，关闭自动比例调压阀4、电磁阀b5、电磁阀f14和电磁阀h16。此时本发明装置各电磁阀的开关状态如图4所示。此时，空气腔向氢腔和冷却液腔的内漏都不会发生，因为它们的压力均等。保压测试持续t分钟。通过观察t时间内的精密压力传感器8的压力变化，即可判断空气腔外漏是否在允许范围。若有必要，可以根据t时间内精密压力传感器8的压力变化值ΔP₃，利用前述公式(2)，计算出泄漏率。

试验完毕后，打开放空电磁阀b11、电磁阀e13、电磁阀g 15、电磁阀j17和放空电磁阀a18，排空空气腔中的压力。然后恢复所有电磁阀至初始状态。

4.氢腔外漏

设定自动比例调压阀4至0.05MPa，然后打开电磁阀5、电磁阀d12、电磁阀f14和电磁阀h16，对电堆各腔体进行同时充压；待精密压力传感器8显示的压力值稳定至0.05MPa后，关闭自动比例调压阀4、电磁阀b5、电磁阀d12和电磁阀f14。此时本发明装置各电磁阀的开关状态如图5所示。此时，氢腔向空气腔和冷却液腔的内漏都不会发生，因为它们的压力均等。保压测试持续t分钟。通过观察t时间内的精密压力传感器8的压力变化，即可判断氢腔外漏是否在允许范围。若有必要，可以根据t时间内精密压力传感器8的压力变化值ΔP₄，利用前述公式(2)，计算出泄漏率。

试验完毕后，打开放空电磁阀b11、电磁阀e13、电磁阀g 15、电磁阀j17和放空电磁阀a18，排空氢气腔中的压力。然后恢复所有电磁阀至初始状态。

5.冷却液腔外漏

设定自动比例调压阀4至0.05MPa，然后打开电磁阀b5、电磁阀d12、电磁阀f14和电磁阀h16，对电堆各腔体进行同时充压；待精密压力传感器8显示的压力值稳定至0.05MPa后，关闭自动比例调压阀4、电磁阀b5、电磁阀d12和电磁阀h16。此时本发明装置各电磁阀的开关状态如图6所示。此时，冷却液腔向空气腔和氢腔的内漏都不会发生，因为它们的压力均等。保压测试持续t分钟。通过观察t时间内的精密压力传感器8的压力变化，即可判断冷却液腔外漏是否在允许范围。若有必要，可以根据t时间内精密压力传感器8的压力变化值ΔP₅，利用前述公式(2)，计算出泄漏率。

试验完毕后，打开放空电磁阀b11、电磁阀e 13、电磁阀g 15、电磁阀ej17和放空电磁阀a18，排空空气腔中的压力。然后恢复所有电磁阀至初始状态。

6.氢腔窜空气腔泄漏

设定自动比例调压阀4至0.05MPa，然后打开电磁阀b5、电磁阀d12、电磁阀f14和电磁阀j17，对电堆空气腔和冷却液腔进行同时充压，此时氢腔则连通大气；待精密压力传感器8显示的压力值稳定至0.05MPa后，关闭比例调压阀4、电磁阀b5和电磁阀f14。此时本发明装置各电磁阀的开关状态如图7所示。此时，空气腔向冷却液腔的内漏不会发生，因为两腔体的压力相同。保压测试持续t分钟。通过观察t时间内的精密压力传感器8的压力变化，即可判断空气腔向氢腔内漏与向大气外漏量的总和是否在允许范围。此时，精密压力传感器8的压力变化值ΔP₆与上述3已测得的空气腔外漏量导致的压力变化值ΔP₃的差值即为空气腔向氢腔的泄漏导致的压力变化值，利用前述公式(2)，同样可计算出泄漏率。

试验完毕后，打开放空电磁阀b11、电磁阀e13、电磁阀g 15和放空电磁阀a18，排空空气腔和冷却液腔中的压力。然后恢复所有电磁阀至初始状态。

7.空气腔窜冷却液腔泄漏

设定自动比例调压阀4至0.05MPa，然后打开电磁阀b5、电磁阀d12、电磁阀g15和电磁阀h16，对电堆空气腔和氢腔进行同时充压，此时冷却液腔则连通大气；待精密压力传感器8显示的压力值稳定至0.05MPa后，关闭自动比例调压阀4、电磁阀b5和电磁阀h16。此时本发明装置各电磁阀的开关状态如图8所示。此时，空气腔向氢腔的内漏不会发生，因为两腔体的压力相同。保压测试持续t分钟。通过观察t时间内的精密压力传感器8的压力变化即可判断空气腔向冷却液腔内漏与向大气外漏量的总和是否在允许范围。此时，精密压力传感器8的压力变化值ΔP₇与上述3已测得的空气腔外漏量导致的压力变化值ΔP₃的差值即为空气腔向冷却液腔的泄漏导致的压力变化，利用前述公式(2)，同样可计算出泄漏率。

试验完毕后，打开放空电磁阀b11、电磁阀e13、电磁阀j17和放空电磁阀a18，排空空气腔和氢腔中的压力。然后恢复所有电磁阀至初始状态。

8.氢腔窜冷却液腔泄漏

设定自动比例调压阀4至0.05MPa，然后打开电磁阀b5、电磁阀d12、电磁阀g15和电磁阀h16，对电堆空气腔和氢腔进行同时充压，此时冷却液腔则连通大气；待精密压力传感器8显示的压力值稳定至0.05MPa后，关闭自动比例调压阀4、电磁阀b5和电磁阀d12。此时本发明装置各电磁阀的开关状态如图9所示。此时，空气腔向氢腔的内漏不会发生，因为两腔体的压力相同。保压测试持续t分钟。通过观察t时间内的精密压力传感器的压力变化，即可判断氢腔向冷却液腔内漏与向大气外漏量的总和是否在允许范围。此时，精密压力传感器8的压力变化值ΔP₈与上述4已测得的氢腔外漏量导致的压力变化值ΔP₄的差值即为空气腔向冷却液腔的泄漏导致的压力变化，利用前述公式(2)，同样可计算出泄漏率。

试验完毕后，打开放空电磁阀b11、电磁阀e13、电磁阀j17和放空电磁阀a18，排空空气腔和氢腔中的压力。然后恢复所有电磁阀至初始状态。

Claims (1)

1.一种测试燃料电池电堆泄漏率的方法，其特征在于，进行所述方法的测试装置设置在燃料电池堆上，燃料电池堆前设有空气进气支管、氢气进气支管、冷却液进液支管，燃料电池堆后设有空气出气支管、氢气出气支管、冷却液出液支管，所述的装置包括氦气瓶、进气总管，所述的氦气瓶通过进气总管连接至燃料电池前分成两条支路，其中第一支路a连接放空管，第二支路分成三路分别连接空气进气支管、氢气进气支管、冷却液进液支管，所述的进气总管上依次设有调压阀a(2)、压力传感器a(3)、自动比例调压阀(4)、电磁阀b(5)、压力传感器b(6)、自动安全阀(7)，所述的第一支路上设有电磁阀c(9)，该电磁阀c(9)连接定容器(10)，所述的第二支路上设有精密压力传感器(8)和放空电磁阀a(18)，所述的空气进气支管上设有电磁阀d(12)，氢气进气支管上设有电磁阀f(14)，冷却液进液支管上设有电磁阀h(16)，所述的空气出气支管上设有电磁阀e(13)，氢气出气支管上设有电磁阀g(15)，冷却液出液支管上设有电磁阀j(17)，所述的放空管上设有放空电磁阀b(11)；所述的自动比例调压阀(4)、电磁阀b(5)、精密压力传感器(8)、电磁阀c(9)、电磁阀d(12)，电磁阀f(14)，电磁阀h(16)，电磁阀e(13)，电磁阀g(15)，电磁阀j(17)，放空电磁阀a(18)、放空电磁阀b(11)均连接工控机(19)，通过工控机(19)控制各电磁阀的开关，

所述的测试方法包括以下步骤：

(1)对已知容积V的定容器充气至压力P1，通过电磁阀控制将定容器与待测腔体相连通，测量电磁阀开启后定容器压力值P2，从而得出待测腔体的体积V_x，所述的待测腔体的体积V_x通过以下公式(Ⅰ)计算得出：

V_x＝P1×V÷P2－V (Ⅰ)，

所述的待测腔体包括燃料电池氢腔、空气腔或冷却液腔；

(2)在测试时间t内，通过精密压力传感器测量待测腔体的压力下降值ΔP，从而得出相应的泄漏率K，所述的泄漏率K通过以下公式(Ⅱ)计算得出：

K＝ΔP×V_x÷t (Ⅱ)；

所述的测试方法包括空气腔总泄漏测试、氢腔总漏测试、空气腔外漏测试、氢腔外漏、冷却液腔外漏、氢腔窜空气腔泄漏、空气腔窜冷却液腔泄漏、氢腔窜冷却液腔泄漏共八种泄露的测试，

其中，空气腔总泄漏测试过程为：

根据公式(Ⅰ)计算出空气腔的容积V_A，设定自动比例调压阀(4)至设定压力值P3，然后打开电磁阀b(5)和电磁阀d(12)，进行充压；同时打开氢气出口处的电磁阀j(17)和冷却液出口电磁阀g(15)，以便排出可能从空气腔内漏过来的气体；待精密压力传感器(8)显示的压力值稳定至设定压力值P3后，关闭自动比例调压阀(4)和电磁阀b(5)；保压测试持续t分钟，通过观察t时间内的精密压力传感器(8)的压力变化ΔP₁，即可判断空气腔总泄漏，是否在允许范围；若有必要，根据公式(Ⅱ)算出空气腔总泄漏率K_A总＝ΔP₁×V_A÷t；

氢腔总漏测试过程：

根据公式(Ⅰ)计算出氢腔的容积V_H，设定自动比例调压阀(4)至设定压力值P3，然后打开电磁阀b(5)和电磁阀h(16)，进行充压；同时打开空气出口电磁阀e(13)和冷却液出口电磁阀g(15)，以便排出可能从氢腔内漏过来的气体；待精密压力传感器(8)显示的压力值稳定至设定压力值P3后，关闭自动比例调压阀(4)和电磁阀b(5)；保压测试持续t分钟，通过观察t时间内的精密压力传感器(8)的压力变化ΔP₂，即可判断氢腔总泄漏，是否在允许范围；若有必要，根据公式(Ⅱ)算出空气腔总泄漏率K_H＝ΔP₂×V_H÷t；

空气腔外漏测试过程：

根据公式(Ⅰ)计算出空气腔的容积V_A，设定自动比例调压阀(4)至设定压力值P3，然后打开电磁阀b(5)、电磁阀d(12)，电磁阀f(14)，电磁阀h(16)，对电堆各腔体进行同时充压；待精密压力传感器(8)显示的压力值稳定至设定压力值P3后，关闭自动比例调压阀(4)、电磁阀b(5)、电磁阀f(14)和电磁阀h(16)；保压测试持续t分钟；通过观察t时间内的精密压力传感器(8)的压力变化ΔP₃，即可判断空气腔外漏是否在允许范围；若有必要，根据公式(Ⅱ)算出空气腔总泄漏率K_A外＝ΔP₃×V_A÷t；

氢腔外漏测试过程：

根据公式(Ⅰ)计算出氢腔的容积V_H，设定自动比例调压阀(4)至设定压力值P3，然后打开电磁阀b(5)、电磁阀d(12)、电磁阀f(14)和电磁阀h(16)，对电堆各腔体进行同时充压；待精密压力传感器(8)显示的压力值稳定至设定压力值P3后，关闭自动比例调压阀(4)、电磁阀b(5)、电磁阀d(12)和电磁阀f(14)，保压测试持续t分钟，通过观察t时间内的精密压力传感器(8)的压力变化ΔP₄，即可判断氢腔外漏是否在允许范围，若有必要，根据公式(Ⅱ)算出空气腔总泄漏率K_H外＝ΔP₄×V_H÷t；

冷却液腔外漏测试过程：

根据公式(Ⅰ)计算出冷却液腔的容积V_C，设定自动比例调压阀(4)至设定压力值P3，然后打开电磁阀b(5)、电磁阀d(12)、电磁阀f(14)和电磁阀h(16)，对电堆各腔体进行同时充压；待精密压力传感器(8)显示的压力值稳定至设定压力值P3后，关闭自动比例调压阀(4)、电磁阀b(5)、电磁阀d(12)和电磁阀h(16)，保压测试持续t分钟，通过观察t时间内的精密压力传感器(8)的压力变化ΔP₅，即可判断冷却液腔外漏是否在允许范围，若有必要，根据公式(Ⅱ)算出空气腔总泄漏率K_C外＝ΔP₅×V_C÷t；

氢腔窜空气腔泄漏测试过程：

根据公式(Ⅰ)计算出空气腔的容积V_A，设定自动比例调压阀(4)至设定压力值P3，然后打开电磁阀b(5)、电磁阀d(12)、电磁阀f(14)和电磁阀j(17)，对电堆空气腔和冷却液腔进行同时充压，此时氢腔则连通大气；待精密压力传感器(8)显示的压力值稳定至设定压力值P3后，关闭比例调压阀(4)、电磁阀b(5)和电磁阀f(14)，保压测试持续t分钟，通过观察t时间内的精密压力传感器(8)的压力变化，即可判断空气腔向氢腔内漏与向大气外漏量的总和是否在允许范围，此时，精密压力传感器(8)的压力变化值ΔP₆与上述已测得的空气腔外漏量导致的压力变化值ΔP₃的差值即为空气腔向氢腔的泄漏导致的压力变化值，若有必要，根据公式(Ⅱ)算出空气腔总泄漏率K_C空→氢＝|ΔP₃-ΔP₆|×V_A÷t；

空气腔窜冷却液腔泄漏测试过程：

根据公式(Ⅰ)计算出空气腔的容积V_A，设定自动比例调压阀(4)至设定压力值P3，然后打开电磁阀b(5)、电磁阀d(12)、电磁阀g(15)和电磁阀h(16)，对电堆空气腔和氢腔进行同时充压，此时冷却液腔则连通大气；待精密压力传感器(8)显示的压力值稳定至设定压力值P3后，关闭自动比例调压阀(4)、电磁阀b(5)和电磁阀h(16)，保压测试持续t分钟，通过观察t时间内的精密压力传感器(8)的压力变化即可判断空气腔向冷却液腔内漏与向大气外漏量的总和是否在允许范围，此时，精密压力传感器(8)的压力变化值ΔP₇与上述已测得的空气腔外漏量导致的压力变化值ΔP₃的差值即为空气腔向冷却液腔的泄漏导致的压力变化，若有必要，根据公式(Ⅱ)算出空气腔总泄漏率K_C空→冷＝|ΔP₃-ΔP₇|×V_A÷t；

氢腔窜冷却液腔泄漏测试过程：

根据公式(Ⅰ)计算出氢腔的容积V_H，设定自动比例调压阀(4)至设定压力值P3，然后打开电磁阀b(5)、电磁阀d(12)、电磁阀g(15)和电磁阀h(16)，对电堆空气腔和氢腔进行同时充压，此时冷却液腔则连通大气；待精密压力传感器(8)显示的压力值稳定至设定压力值P3后，关闭自动比例调压阀(4)、电磁阀b(5)和电磁阀d(12)，保压测试持续t分钟，通过观察t时间内的精密压力传感器的压力变化，即可判断氢腔向冷却液腔内漏与向大气外漏量的总和是否在允许范围，此时，精密压力传感器(8)的压力变化值ΔP₈与上述已测得的氢腔外漏量导致的压力变化值ΔP₄的差值即为氢腔向冷却液腔的泄漏导致的压力变化，若有必要，根据公式(Ⅱ)算出空气腔总泄漏率K_H氢→冷＝|ΔP₄-ΔP₈|×V_H÷t。