CN108120568A - 一种燃料电池电堆气密性实时检测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池电堆气密性实时检测设备，包括：氧化剂进气管路和氧化剂出气管路；还原剂进气管路和还原剂出气管路；还包括：气体供应装置，分别与氧化剂进气管路和还原剂进气管路的输入端连接，用于为氧化剂进气管路和还原剂进气管路提供气体；第一进气压力传感器和第一进气气体流量计，均设于氧化剂进气管路上；第二进气压力传感器和第二进气气体流量计，均设于还原剂进气管路上；第一出气压力传感器和第一出气气体流量计，均设于氧化剂出气管路上；第二出气压力传感器和第二出气气体流量计，均设于还原剂出气管路上。与现有技术相比，本发明可以对气体进行保压，也可以使气体处于流动状态，来检测燃料电池电堆的内、外泄漏情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测设备，尤其是涉及一种燃料电池电堆气密性实时检测设备。
背景技术
燃料电池是通过电催化反应将氧化剂和还原剂的化学能直接转换成电能的装置，是一种高效、安全、清洁、灵活的新型发电技术。与其他类型的燃料电池(如AFC、PAFC、MCFC、SOFC等)相比，质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有工作温度低、比能较高、寿命较长、应用广泛等特点，被认为是解决能源危机和环境污染等问题的最具前景的方案之一。
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，燃料电池电堆组装完后，需进行气密性质量检测。这直接关系到燃料电池运行时的安全性及稳定性，是燃料电池装配过程中至关重要的一环，要保证其的正确性及高效性。
中国专利CN 203178047U提到将电堆放置在水池内夹具的槽内，向电堆通入气体并保压，根据保压期间压力表示数变化确定电堆气体泄漏情况。
中国专利CN 103900773A公开了一种燃料电池堆在线气密性检测装置及方法，所述电堆在线气密性检测装置包括压力表、气密性便利测试箱和皂泡流量计，所述气密性便利测试箱内部设置有管路，管路上设置有所需控制阀，管路和控制阀配合能利用测试气体实现对燃料电池堆的气密性检测。
中国专利CN 205879471U相比于CN 103900773A，所述系统采用电子流量计代替皂泡流量计，采用数据采集器记录数据，使检测系统操作简单、精确度高。
以上三份文献都是向电堆通入气体并保压，通过保压期间压力表示数变化或流量计示数变化确定电堆的气密性，没有模拟电堆在运行时气体的运动状态，所测得的电堆气密性的真实性值得商榷。另外，以上三份文献均未采用控制器，都是采用人工操作，检测起来操作不方便。
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气密性实时检测设备。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池电堆气密性实时检测设备，包括：
氧化剂进气管路和氧化剂出气管路，分别与燃料电池电堆的氧化剂入口和氧化剂出口连接；
还原剂进气管路和还原剂出气管路，分别与燃料电池电堆的还原剂入口和还原剂出口连接；
还包括：
气体供应装置，分别与氧化剂进气管路和还原剂进气管路的输入端连接，用于为氧化剂进气管路和还原剂进气管路提供气体；
第一进气压力传感器和第一进气气体流量计，均设于氧化剂进气管路上；
第二进气压力传感器和第二进气气体流量计，均设于还原剂进气管路上；
第一出气压力传感器和第一出气气体流量计，均设于氧化剂出气管路上；
第二出气压力传感器和第二出气气体流量计，均设于还原剂出气管路上。
所述氧化剂进气管路上设有第一进气电磁阀，所述氧化剂出气管路上设有第一出气比例阀，
所述还原剂进气管路上设有第二进气电磁阀，所述还原剂出气管路上设有第二出气比例阀，
沿气体流动方向上，所述第一进气电磁阀设于第一进气压力传感器和第一进气气体流量计之前，所述第一出气比例阀设于第一出气压力传感器和第一出气气体流量计之后，所述第二进气电磁阀设于第二进气压力传感器和第二进气气体流量计之前，所述第二出气比例阀设于第二出气压力传感器和第二出气气体流量计之后；
测量燃料电池电堆额定工况下的阴极气体向阳极泄漏情况时，关闭第二进气电磁阀和第二出气比例阀，气体供应装置为氧化剂进气管路供给流量、压力大小合适的气体，观察第二进气压力传感器、第一进气压力传感器、第二进气气体流量计和第一进气气体流量计示数是否变化，
测量燃料电池电堆额定工况下的阳极气体向阴极泄漏情况时，关闭第一进气电磁阀和第一出气比例阀，气体供应装置为还原剂进气管路供给流量、压力大小合适的气体，观察第二进气压力传感器、第一进气压力传感器、第二进气气体流量计和第一进气气体流量计示数是否变化，
测试燃料电池电堆额定工况下的外泄漏情况时，气体供应装置为氧化剂进气管路和还原剂进气管路供给流量、压力大小和温度合适的气体，待第一出气压力传感器示数稳定后，开始记录第二进气气体流量计、第一进气气体流量计、第二出气气体流量计、第一出气气体流量计的数据，通过计算一段时间内还原剂进气管路和氧化剂进气管路总流量和还原剂出气管路和氧化剂出气管路总流量的差值，确定燃料电池电堆的外泄漏状况。
沿气体流动方向上，所述第一进气压力传感器设于第一进气气体流量计之后，所述第二进气压力传感器设于第二进气气体流量计之后。
沿气体流动方向上，所述第一出气压力传感器设于第一出气气体流量计之前，所述第二出气压力传感器设于第二出气气体流量计之后。
所有气体流量计为气体质量传感器。
所述气体供应装置包括依次连接的气源、一级减压阀、第一气源压力传感器、二级减压阀和第二气源压力传感器。
所述气体供应装置还包括气源温度传感器，该气源温度传感器设于第二气源压力传感器之后。
所述检测设备还包括用于释放氧化剂出气管路和还原剂出气管路中气体的背压阀，该背压阀的输入端分别与氧化剂出气管路和还原剂出气管路的输出端连接。
所述背压阀的输入端侧设有排气温度传感器。
所述检测设备还包括冷却剂供应装置，该冷却剂供应装置包括依次连接的冷却水箱、水泵、冷却剂体积流量计、冷却剂温度传感器和冷却剂压力传感器，所述冷却水箱与燃料电池电堆的冷却剂出口连接，所述冷却剂压力传感器与燃料电池电堆的冷却剂出口连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)可以对气体进行保压，也可以使气体处于流动状态，来检测燃料电池电堆的内、外泄漏情况。
2)通过设置两个进气电磁阀和两个出气比例阀，可以分别对阴极向阳极和阳极向阴极的内泄露进行测试。
3)采用同一个气源，可以避免燃料电池发生反应，从而测试更为真实的机械气密性。
4)设置了冷却剂供应装置，可以模拟冷却剂运行，使检测更接近真实情况。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：1、气源，2、一级减压阀，3、第一气源压力传感器，4、二级减压阀，5、第二气源压力传感器，6、气源温度传感器，7、第二进气电磁阀，8、第二进气气体流量计，9、第二进气压力传感器，10、第一进气电磁阀，11、第一进气气体流量计，12、第一进气压力传感器，13、燃料电池电堆，14、第二出气压力传感器，15、第二出气气体流量计，16、第二出气比例阀，17、第一出气压力传感器，18、第一出气气体流量计，19、第一出气比例阀，20、排气温度传感器，21、背压阀，22、冷却水箱，23、水泵，24、冷却剂体积流量计，25、冷却剂温度传感器，26、冷却剂压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种燃料电池电堆气密性实时检测设备，用于对燃料电池电堆13进行气密性检测，如图1所示，包括：
氧化剂进气管路和氧化剂出气管路，分别与燃料电池电堆13的氧化剂入口和氧化剂出口连接；
还原剂进气管路和还原剂出气管路，分别与燃料电池电堆13的还原剂入口和还原剂出口连接；
还包括：
气体供应装置，分别与氧化剂进气管路和还原剂进气管路的输入端连接，用于为氧化剂进气管路和还原剂进气管路提供气体；
第一进气压力传感器12和第一进气气体流量计11，均设于氧化剂进气管路上；
第二进气压力传感器9和第二进气气体流量计8，均设于还原剂进气管路上；
第一出气压力传感器17和第一出气气体流量计18，均设于氧化剂出气管路上；
第二出气压力传感器14和第二出气气体流量计15，均设于还原剂出气管路上。
氧化剂进气管路上设有第一进气电磁阀10，氧化剂出气管路上设有第一出气比例阀19，
还原剂进气管路上设有第二进气电磁阀7，还原剂出气管路上设有第二出气比例阀16，
沿气体流动方向上，第一进气电磁阀10设于第一进气压力传感器12和第一进气气体流量计11之前，第一出气比例阀19设于第一出气压力传感器17和第一出气气体流量计18之后，第二进气电磁阀7设于第二进气压力传感器9和第二进气气体流量计8之前，第二出气比例阀16设于第二出气压力传感器14和第二出气气体流量计15之后；
沿气体流动方向上，第一进气压力传感器12设于第一进气气体流量计11之后，第二进气压力传感器9设于第二进气气体流量计8之后。
沿气体流动方向上，第一出气压力传感器17设于第一出气气体流量计18之前，第二出气压力传感器14设于第二出气气体流量计15之后。
所有气体流量计为气体质量传感器。
气体供应装置包括依次连接的气源1、一级减压阀2、第一气源压力传感器3、二级减压阀4和第二气源压力传感器5，气体从气源1开始，经过二级减压后，通过歧管连至燃料电池电堆13的氧化剂入口和还原剂入口，
气体供应装置还包括气源温度传感器6，该气源温度传感器6设于第二气源压力传感器5之后。
检测设备还包括用于释放氧化剂出气管路和还原剂出气管路中气体的背压阀21，该背压阀21的输入端分别与氧化剂出气管路和还原剂出气管路的输出端连接，背压阀21的输入端侧设有排气温度传感器20，燃料电池电堆13的还原剂出口和氧化剂出口通过歧管连通，并最后通过背压阀21通向大气。
检测设备还包括冷却剂供应装置，该冷却剂供应装置包括依次连接的冷却水箱22、水泵23、冷却剂体积流量计24、冷却剂温度传感器25和冷却剂压力传感器26，冷却水箱22与燃料电池电堆13的冷却剂出口连接，冷却剂压力传感器26与燃料电池电堆13的冷却剂出口连接。
此外，检测设备还配置了控制器，控制器能控制一级减压阀2、二级减压阀4、第二进气电磁阀7、第一进气电磁阀10、第二出气比例阀16、第一出气比例阀19、背压阀21和水泵23的运行状态。
应用上述检测设备的检测方法，除了上述检测设备，还使用压机，测试对象为被压机施压到组装压力但尚未旋紧螺母的燃料电池电堆或者已经装配完成后的燃料电池电堆，测试过程包括以下步骤：
测试燃料电池电堆13额定工况下的内泄漏，当测量阴极气体向阳极泄漏情况时，关闭第二进气电磁阀7和第二出气比例阀16，调节一级减压阀2、二级减压阀4、第一进气电磁阀10、第一出气比例阀19和背压阀21，使阴极供给的气体的流量、压力大小合适，开启水泵27，调节冷却水的流量使其大小合适；观察第二进气压力传感器9、第一进气压力传感器12、第二进气气体流量计8和第一进气气体流量计11示数是否变化，确定电堆阴极气体向阳极泄漏的情况；
检测电堆阳极气体向阴极泄漏情况与检测电堆阴极气体向阳极泄漏情况的方法类似，关闭第一进气电磁阀10和第一出气比例阀19，气体供应装置为还原剂进气管路供给流量、压力大小合适的气体，观察第二进气压力传感器9、第一进气压力传感器12、第二进气气体流量计8和第一进气气体流量计11示数是否变化，
测试燃料电池电堆13额定工况下的外泄漏情况时，调节一级减压阀2、二级减压阀4、第二进气电磁阀7、第一进气电磁阀10、第二出气比例阀16、第一出气比例阀19和背压阀21，使阴极供给的气体的流量、压力大小合适；开启水泵27，调节冷却水的流量使其大小合适；待第一出气压力传感器17、排气温度传感器20示数稳定后，开始记录第二进气气体流量计8、第一进气气体流量计11、第二出气气体流量计15、第一出气气体流量计18的数据，通过计算一段时间内还原剂进气管路和氧化剂进气管路总流量和还原剂出气管路和氧化剂出气管路总流量的差值，确定燃料电池电堆13的外泄漏状况。也可以通过调节各阀门，设置不同的阳极、阴极压差，测量此时的气密性。
可以通过调节各阀，设置阳极、阴极不同的压差，测试燃料电池电堆13阳极、阴极不同的压差时的气密性，也可以关闭背压阀21，向燃料电池电堆13通入气体并保压的方式，通过压力传感器或者气体流量计的示数变化判断燃料电池电堆13气体泄漏状况。
Claims (10)
1.一种燃料电池电堆气密性实时检测设备，包括：
氧化剂进气管路和氧化剂出气管路，分别与燃料电池电堆(13)的氧化剂入口和氧化剂出口连接；
还原剂进气管路和还原剂出气管路，分别与燃料电池电堆(13)的还原剂入口和还原剂出口连接；
其特征在于，还包括：
气体供应装置，分别与氧化剂进气管路和还原剂进气管路的输入端连接，用于为氧化剂进气管路和还原剂进气管路提供气体；
第一进气压力传感器(12)和第一进气气体流量计(11)，均设于氧化剂进气管路上；
第二进气压力传感器(9)和第二进气气体流量计(8)，均设于还原剂进气管路上；
第一出气压力传感器(17)和第一出气气体流量计(18)，均设于氧化剂出气管路上；
第二出气压力传感器(14)和第二出气气体流量计(15)，均设于还原剂出气管路上。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆气密性实时检测设备，其特征在于，
所述氧化剂进气管路上设有第一进气电磁阀(10)，所述氧化剂出气管路上设有第一出气比例阀(19)，
所述还原剂进气管路上设有第二进气电磁阀(7)，所述还原剂出气管路上设有第二出气比例阀(16)，
沿气体流动方向上，所述第一进气电磁阀(10)设于第一进气压力传感器(12)和第一进气气体流量计(11)之前，所述第一出气比例阀(19)设于第一出气压力传感器(17)和第一出气气体流量计(18)之后，所述第二进气电磁阀(7)设于第二进气压力传感器(9)和第二进气气体流量计(8)之前，所述第二出气比例阀(16)设于第二出气压力传感器(14)和第二出气气体流量计(15)之后；
测量燃料电池电堆(13)额定工况下的阴极气体向阳极泄漏情况时，关闭第二进气电磁阀(7)和第二出气比例阀(16)，气体供应装置为氧化剂进气管路供给流量、压力大小合适的气体，观察第二进气压力传感器(9)、第一进气压力传感器(12)、第二进气气体流量计(8)和第一进气气体流量计(11)示数是否变化，
测量燃料电池电堆(13)额定工况下的阳极气体向阴极泄漏情况时，关闭第一进气电磁阀(10)和第一出气比例阀(19)，气体供应装置为还原剂进气管路供给流量、压力大小合适的气体，观察第二进气压力传感器(9)、第一进气压力传感器(12)、第二进气气体流量计(8)和第一进气气体流量计(11)示数是否变化，
测试燃料电池电堆(13)额定工况下的外泄漏情况时，气体供应装置为氧化剂进气管路和还原剂进气管路供给流量、压力大小和温度合适的气体，待第一出气压力传感器(17)示数稳定后，开始记录第二进气气体流量计(8)、第一进气气体流量计(11)、第二出气气体流量计(15)、第一出气气体流量计(18)的数据，通过计算一段时间内还原剂进气管路和氧化剂进气管路总流量和还原剂出气管路和氧化剂出气管路总流量的差值，确定燃料电池电堆(13)的外泄漏状况。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆气密性实时检测设备，其特征在于，沿气体流动方向上，所述第一进气压力传感器(12)设于第一进气气体流量计(11)之后，所述第二进气压力传感器(9)设于第二进气气体流量计(8)之后。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池电堆气密性实时检测设备，其特征在于，沿气体流动方向上，所述第一出气压力传感器(17)设于第一出气气体流量计(18)之前，所述第二出气压力传感器(14)设于第二出气气体流量计(15)之后。
5.根据权利要求1～4中任一所述的一种燃料电池电堆气密性实时检测设备，其特征在于，所有气体流量计为气体质量传感器。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆气密性实时检测设备，其特征在于，所述气体供应装置包括依次连接的气源(1)、一级减压阀(2)、第一气源压力传感器(3)、二级减压阀(4)和第二气源压力传感器(5)。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池电堆气密性实时检测设备，其特征在于，所述气体供应装置还包括气源温度传感器(6)，该气源温度传感器(6)设于第二气源压力传感器(5)之后。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆气密性实时检测设备，其特征在于，所述检测设备还包括用于释放氧化剂出气管路和还原剂出气管路中气体的背压阀(21)，该背压阀(21)的输入端分别与氧化剂出气管路和还原剂出气管路的输出端连接。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池电堆气密性实时检测设备，其特征在于，所述背压阀(21)的输入端侧设有排气温度传感器(20)。
10.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆气密性实时检测设备，其特征在于，所述检测设备还包括冷却剂供应装置，该冷却剂供应装置包括依次连接的冷却水箱(22)、水泵(23)、冷却剂体积流量计(24)、冷却剂温度传感器(25)和冷却剂压力传感器(26)，所述冷却水箱(22)与燃料电池电堆(13)的冷却剂出口连接，所述冷却剂压力传感器(26)与燃料电池电堆(13)的冷却剂出口连接。
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