CN109253850B - 一种燃料电池双极板水腔密封性检测装置 - Google Patents

一种燃料电池双极板水腔密封性检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种燃料电池双极板水腔密封性检测装置，该装置包括气源、稳压阀、压力表、阳极腔阀门、阴极腔阀门、压机旋转手柄、压机上模、水腔阀门、测试上端板、第一膜电极、被测极板、第二膜电极、电压表、测试下端板与压机下模；在进行检测时关闭阳极腔阀门、阴极腔阀门和水腔阀门，打开稳压阀的阀门，调节压力范围为0.05～0.2MPa，待电压表的示数稳定后，观察电压表的示数，若电压绝对值高于0.1V则认为存在着泄漏。本发明利用电压信号作为气密性好坏的判断表示，灵敏度高、检测速度快，且信号易于采集，实现自动化操作，有利于提高生产检测效率。

Description

一种燃料电池双极板水腔密封性检测装置
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种燃料电池双极板水腔密封性检测装置。
背景技术
燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，是一种洁净的能源转化方式，其中质子交换膜燃料电池采用氢气作为燃料，具有能量转化效率高、操作温度低、启动速度快、清洁无污染等优势，在交通运输、分布式发电等领域均具有广阔的应用前景，质子交换膜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。
对于车用质子交换膜燃料电池来讲，由于燃料电池的散热功率较高需要冷却剂进行散热，因此也需要确保冷却剂腔室与氢气腔、空气腔相互隔离，若三腔中的任意两个腔室发生混合，则可能造成燃料电池的效率的降低，特别是氢氧气体的混合，甚至可能引起电池的失效或爆炸，这一特性对质子交换膜燃料电池的密封技术提出了很高的要求，其中对于双极板密封性的测试技术尤为重要。双极板是质子交换膜燃料电池的关键组件，主要起到集流、导电、分隔氧化剂与燃料、分布流体等作用，现有的大功率车用燃料电池双极板通常由阳极极板与阴极极板构成，两者通过焊接、胶粘等方式结合构成双极板，其中间的容腔通常为冷却剂腔室，由于焊接与胶粘等方式会存在着虚焊或胶粘剂分布不均的问题，双极板的水腔会对氢腔或空腔产生泄漏，因此对双极板水腔泄漏量的检测技术至关重要。
为了测量双极板水腔的密封性，目前的方法主要包括气泡法、压降法与流量法，如中国专利CN203178047中将测试夹具放入水池中通入气体，通过观察气泡的产生来判断双极板的气密性。以及中国专利CN205843899中采用注胶模板密封双极板，通过观察是否形成气泡来判断双极板的密封性能。采用气泡法可以直观地观察气密性，并可以查找漏点。但是该方法不利于批量化生产，且有时需要将样品浸没在水中，需要后处理。对于流量法测试，中国专利CN103900773采用皂膜流量计在线测试电堆的气密性。以及中国专利CN205879471将气体通入双极板的各腔室，采用电子流量计代替皂膜流量计测试双极板的气密性。以上的技术可以定量测试泄漏量，但是由于双极板的水腔泄漏量较小，通常单片双极板的泄漏量远远低于0.1ml/min，因此对于流量计提出了更高的精度需求，同时采用流量计测试时，测试时间较长，生产效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池双极板水腔密封性检测装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种燃料电池双极板水腔密封性检测装置，包括气源、稳压阀、压力表、阳极腔阀门、阴极腔阀门、压机旋转手柄、压机上模、水腔阀门、测试上端板、第一膜电极、被测极板、第二膜电极、电压表、测试下端板与压机下模；
所述被测极板上设置有第一阳极腔气孔、第一阴极腔气孔、第一水腔气孔与电压测试端子，所述被测极板相对的两面上分别设置有第一膜电极与第二膜电极，被测极板与第一膜电极相连的一面设置有阳极气体流场，被测极板与第二膜电极相连的一面上设置有阴极气体流场，被测极板与第一膜电极以及第二膜电极相连的两面上均设置有气体流场，被测极板内设置有水腔流场，被测极板与第一膜电极之间以及被测极板与第二膜电极之间均通过胶线密封；
所述第一膜电极与被测极板相背的一面设置有测试上端板；
所述第二膜电极与被测极板相背的一面设置有测试下端板；
所述测试上端板上设置有第二阳极腔气孔、第二阴极腔气孔、第二水腔气孔与电压测试端子，第二阳极腔气孔连接有阳极腔阀门，第二阴极腔气孔连接阴极腔阀门，第二水腔气孔连接有水腔阀门；
所述测试上端板朝向第一膜电极的一面设置有气体流场，测试上端板与第一膜电极之间通过胶线密封；所述测试下端板朝向第二膜电极的一面设置有气体流场，测试下端板与第二膜电极之间通过胶线密封；
所述测试下端板上设置第三水腔气孔，所述第一水腔气孔、第二水腔气孔、第三水腔气孔与被测极板内的水腔流场相互接通，所述第一阳极腔气孔、第二阳极腔气孔与阳极气体流场相互连通，所述第一阴极腔气孔、第二阴极腔气孔与阴极气体流场相互连通；
所述测试下端板、第二膜电极、被测极板、第一膜电极与测试上端板依次排列组装后，置于压机上模与压机下模之间，通过压机旋转手柄进行压紧，压机上模设置于测试上端板与第一膜电极相背的一面，压机下模置于测试下端板与第二膜电极相背的一面，压机上模与压机下模之间的夹紧压力为1MPa～2MPa；
所述电压表连接被测极板的电压测试端子与测试上端板的电压测试端子以及被测极板的电压测试端子与测试下端板的电压测试端子，电压表的量程为-5～5V，精度为1mV；
所述气源输出气体为氢气，所述气源连接稳压阀的进气口，稳压阀的出气口连接测试下端板上的第三水腔气孔接通。
一种燃料电池双极板水腔密封性检测方法，包括如下步骤：
对单片被测极板的水腔密封性进行检测时，测试上端板与测试下端板之间被测极板与膜电极的排列方式为：第一膜电极、被测极板、第二膜电极，电压表连接测试上端板与被测极板，被测极板与测试下端板；
对n片被测极板的水腔密封性进行检测时，测试上端板与测试下端板之间被测极板与膜电极的排列方式为：n片被测极板与n+1片膜电极间隔排列，即将测试上端板、第一片膜电极、第一片被测极板、第二片膜电极、第二片被测极板、……、第n片被测极板、第n+1片膜电极、测试下端板自上而下依次排列，其中电压表连接测试上端板与第一片被测极板、第一片被测极板与第二片被测极板、……、第n片被测极板与测试下端板，即电压表可检测测试下端板与第一片被测极板，第一片被测极板与第二片被测极板、……、第n片被测极板与测试上端板之间的电压；
关闭所述阳极腔阀门、阴极腔阀门和水腔阀门，打开稳压阀的阀门，调节压力范围为0.05～0.2MPa，待电压表的示数稳定后，观察电压表的示数，若电压绝对值高于0.1V则认为存在着泄漏。
作为本发明的进一步方案，所述测试上端板与所述测试下端板的材质均为金属或石墨，测试上端板与测试下端板的厚度均为1～10mm。
作为本发明的进一步方案，所述气源1输出的氢气的纯度为99.9～99.999％，气源的输出压力为0.2～40MPa。
作为本发明的进一步方案，所述压力表设置在稳压阀与测试下端板之间的管路上，其中压力表为机械精密压力表或电子压力表，压力表的精度为0.002MPa。
作为本发明的进一步方案，所述胶线为胶线槽内填充密封垫形成，所述胶线槽为深度为0.1～0.5mm的凹槽，胶线槽开设在两个通过胶线密封的工件上。
本发明的有益效果:
1、本发明利用电压信号作为气密性好坏的判断表示，灵敏度高、检测速度快，且信号易于采集；
2、本发明无需过多手工操作，将阀门采用电磁阀、压机采用电脑控制后易于实现自动化操作；
3、本发明可同时进行多片极板的测试，有利于提高生产检测效率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明对多片燃料电池双极板水腔密封性进行检测的示意图。
具体实施方式
下面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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种燃料电池双极板水腔密封性检测装置，如图1所示，包括气源1、稳压阀2、压力表3、阳极腔阀门4、阴极腔阀门5、压机旋转手柄6、压机上模7、水腔阀门8、测试上端板9、第一膜电极10、被测极板11、第二膜电极15、电压表12、测试下端板13与压机下模14；
所述被测极板11上设置有第一阳极腔气孔、第一阴极腔气孔、第一水腔气孔与电压测试端子，所述被测极板11相对的两面上分别设置有第一膜电极10与第二膜电极15，被测极板11与第一膜电极10相连的一面设置有阳极气体流场，被测极板11与第二膜电极15相连的一面上设置有阴极气体流场，被测极板11内设置有水腔流场，被测极板11与第一膜电极10之间以及被测极板11与第二膜电极15之间均通过胶线密封；
所述第一膜电极10与被测极板11相背的一面设置有测试上端板9；
所述第二膜电极15与被测极板11相背的一面设置有测试下端板13；
所述测试上端板9上设置有第二阳极腔气孔、第二阴极腔气孔、第二水腔气孔与电压测试端子，第二阳极腔气孔连接有阳极腔阀门4，第二阴极腔气孔连接阴极腔阀门5，第二水腔气孔连接有水腔阀门8，所述测试上端板9与测试下端板13的材质为金属或石墨，测试上端板与测试下端板的厚度为1～10mm，所述阳极腔阀门4、阴极腔阀门5与水腔阀门8为机械球阀或电磁阀；
所述测试上端板9朝向第一膜电极10的一面设置有气体流场，测试上端板9与第一膜电极10之间通过胶线密封；所述测试下端板13朝向第二膜电极15的一面设置有气体流场，测试下端板13与第二膜电极15之间通过胶线密封，所述胶线为胶线槽内填充密封垫形成，所述胶线槽为深度为0.1～0.5mm的凹槽，胶线槽开设在两个通过胶线密封的工件上；
所述测试下端板13上设置第三水腔气孔，所述第一水腔气孔、第二水腔气孔、第三水腔气孔与被测极板11内的水腔流场相互接通，所述第一阳极腔气孔、第二阳极腔气孔与阳极气体流场相互连通，所述第一阴极腔气孔、第二阴极腔气孔与阴极气体流场相互连通。
所述测试下端板13、第二膜电极15、被测极板11、第一膜电极10与测试上端板9依次排列组装后，置于压机上模7与压机下模14之间，通过压机旋转手柄6进行压紧，压机上模7设置于测试上端板9与第一膜电极10相背的一面，压机下模14置于测试下端板13与第二膜电极相背的一面，其中压机旋转手柄6为手工机械手柄或液压装置，压机上模7与压机下模14之间的夹紧压力为1MPa～2MPa。
所述电压表12连接被测极板11的电压测试端子与测试上端板9的电压测试端子以及被测极板11的电压测试端子与测试下端板13的电压测试端子，所述电压表12为万用表或多通道的电压检测装置，负责检测测试下端板13与被测极板11以及被测极板11与测试上端板9间的电压，电压表12的量程为-5～5V，精度为1mV；
所述气源1输出气体为高纯氢气，氢气的纯度为99.9～99.999％，气源1的输出压力为0.2～40MPa，所述气源1连接稳压阀2的进气口，稳压阀2的出气口连接测试下端板13上的第三水腔气孔接通；
所述压力表3设置在稳压阀2与测试下端板13之间的管路上，其中压力表3为机械精密压力表或电子压力表，压力表3的精度为0.002MPa。
利用本发明所述密封性检测装置对双极板水腔进行密封性检测的方法为：
关闭阳极腔阀门4、阴极腔阀门5和水腔阀门8，打开稳压阀2的阀门，调节压力范围为0.05～0.2MPa，待电压表12的示数稳定后，观察电压表12的示数，若电压绝对值高于0.1V则认为存在着泄漏。
所述的测试方法可以用于单片极板的水腔密封性检测，也可以用于多片极板的同时检测，如图2所示，将n片被测极板11与n+1片膜电极10间隔排列，置于测试上端板9与测试下端板13之间，即将测试上端板9、第一片膜电极、第一片被测极板、第二片膜电极、第二片被测极板、……、第n片被测极板、第n+1片膜电极、测试下端板13自上而下依次排列，置于压机上模7与压机下模14之间，压机上模7设置于测试上端板9与第一膜电极相背的一面，压机下模14置于测试下端板13与第n+1膜电极相背的一面，并采用压机旋转手柄6紧固，夹紧力为1～2MPa，其中电压表12连接测试上端板9与第一片被测极板、第一片被测极板与第二片被测极板、……、第n片被测极板与测试下端板13，即电压表12可检测测试下端板13与第一片被测极板，第一片被测极板与第二片被测极板、……、第n片被测极板与测试上端板9之间的电压，并可通过电压数值准确查找密封性差的极板，同时该方法也可以用于组装好电堆的水腔气密性检测。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种燃料电池双极板水腔密封性检测装置，其特征在于，包括气源(1)、稳压阀(2)、压力表(3)、阳极腔阀门(4)、阴极腔阀门(5)、压机旋转手柄(6)、压机上模(7)、水腔阀门(8)、测试上端板(9)、第一膜电极(10)、被测极板(11)、第二膜电极(15)、电压表(12)、测试下端板(13)与压机下模(14)；
所述被测极板(11)上设置有第一阳极腔气孔、第一阴极腔气孔、第一水腔气孔与电压测试端子，所述被测极板(11)相对的两面上分别设置有第一膜电极(10)与第二膜电极(15)，被测极板(11)与第一膜电极(10)相连的一面设置有阳极气体流场，被测极板(11)与第二膜电极(15)相连的一面上设置有阴极气体流场，被测极板(11)与第一膜电极(10)以及第二膜电极(15)相连的两面上均设置有气体流场，被测极板(11)内设置有水腔流场，被测极板(11)与第一膜电极(10)之间以及被测极板(11)与第二膜电极(15)之间均通过胶线密封；
所述第一膜电极(10)与被测极板(11)相背的一面设置有测试上端板(9)；
所述第二膜电极(15)与被测极板(11)相背的一面设置有测试下端板(13)；
所述测试上端板(9)上设置有第二阳极腔气孔、第二阴极腔气孔、第二水腔气孔与电压测试端子，第二阳极腔气孔连接有阳极腔阀门(4)，第二阴极腔气孔连接阴极腔阀门(5)，第二水腔气孔连接有水腔阀门(8)；
所述测试上端板(9)朝向第一膜电极(10)的一面设置有气体流场，测试上端板(9)与第一膜电极(10)之间通过胶线密封；所述测试下端板(13)朝向第二膜电极(15)的一面设置有气体流场，测试下端板(13)与第二膜电极(15)之间通过胶线密封；
所述测试下端板(13)上设置第三水腔气孔，所述第一水腔气孔、第二水腔气孔、第三水腔气孔与被测极板(11)内的水腔流场相互接通，所述第一阳极腔气孔、第二阳极腔气孔与阳极气体流场相互连通，所述第一阴极腔气孔、第二阴极腔气孔与阴极气体流场相互连通；
所述测试下端板(13)、第二膜电极(15)、被测极板(11)、第一膜电极(10)与测试上端板(9)依次排列组装后，置于压机上模(7)与压机下模(14)之间，通过压机旋转手柄(6)进行压紧，压机上模(7)设置于测试上端板(9)与第一膜电极(10)相背的一面，压机下模(14)置于测试下端板(13)与第二膜电极(15)相背的一面，压机上模(7)与压机下模(14)之间的夹紧压力为1MPa～2MPa；
所述电压表(12)连接被测极板(11)的电压测试端子与测试上端板(9)的电压测试端子以及被测极板(11)的电压测试端子与测试下端板(13)的电压测试端子，电压表(12)的量程为-5～5V，精度为1mV；
所述气源(1)输出气体为氢气，所述气源(1)连接稳压阀(2)的进气口，稳压阀(2)的出气口连接测试下端板(13)上的第三水腔气孔接通；
该装置的检测步骤如下：
对单片被测极板(11)的水腔密封性进行检测时，测试上端板(9)与测试下端板(13)之间被测极板与膜电极的排列方式为：第一膜电极(10)、被测极板(11)、第二膜电极(15)，电压表(12)连接测试上端板(9)与被测极板(11)，被测极板(11)与测试下端板(13)；
对n片被测极板(11)的水腔密封性进行检测时，测试上端板(9)与测试下端板(13)之间被测极板与膜电极的排列方式为：n片被测极板(11)与n+1片膜电极间隔排列，即将测试上端板(9)、第一片膜电极、第一片被测极板、第二片膜电极、第二片被测极板、……、第n片被测极板、第n+1片膜电极、测试下端板(13)自上而下依次排列，其中电压表(12)连接测试上端板(9)与第一片被测极板、第一片被测极板与第二片被测极板、……、第n片被测极板与测试下端板(13)，电压表(12)检测测试下端板(13)与第一片被测极板，第一片被测极板与第二片被测极板、……、第n片被测极板与测试上端板(9)之间的电压；
关闭所述阳极腔阀门(4)、阴极腔阀门(5)和水腔阀门(8)，打开稳压阀(2)的阀门，调节压力范围为0.05～0.2MPa，待电压表(12)的示数稳定后，观察电压表(12)的示数，若电压的绝对值高于0.1V则认为存在着泄漏。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板水腔密封性检测装置，其特征在于，所述测试上端板(9)与所述测试下端板(13)的材质均为金属或石墨，测试上端板(9)与测试下端板(13)的厚度为1～10mm。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板水腔密封性检测装置，其特征在于，所述气源(1)输出的氢气的纯度为99.9～99.999％，气源(1)的输出压力为0.2～40MPa。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板水腔密封性检测装置，其特征在于，所述压力表(3)设置在稳压阀(2)与测试下端板(13)之间的管路上，其中压力表(3)为机械精密压力表或电子压力表，压力表(3)的精度为0.002MPa。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板水腔密封性检测装置，其特征在于，所述胶线为胶线槽内填充密封垫形成，所述胶线槽为深度为0.1～0.5mm的凹槽，胶线槽开设在两个通过胶线密封的工件上。
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