CN111707419B

CN111707419B - 一种模拟燃料电池在目标温度下密封性能的检测方法

Info

Publication number: CN111707419B
Application number: CN202010628097.6A
Authority: CN
Inventors: 雷红红; 雷新望; 张志刚; 肖建军; 张艳娜; 胡锦满; 梁自强
Original assignee: Zhengzhou Foguang Power Generation Equipment Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Foguang Power Generation Equipment Co Ltd
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2022-05-03
Anticipated expiration: 2040-07-01
Also published as: CN111707419A

Abstract

本发明属于电池密封技术领域，具体涉及一种模拟燃料电池在目标温度下密封性能的检测方法。检测方法包括以下步骤：设燃料电池腔体体积为V₀，腔体内水的体积为V₁，空气体积为V₂，V₀=V₁+V₂；腔体内初始温度为t₀，目标温度为t；假定向燃料电池腔体内加入n₁ mol的K₂O能够使腔体内温度达到t，K₂O与水反应放热n₁Q₁，该过程中消耗水V₁₁，剩余水为V₁‑V₁₁；KOH溶于水中继续放出热量2n₁Q₂；K₂O发生反应后，腔体内水温上升至t，需吸收热量为Q_水，气体温度上升至t时，需吸收热量为Q_气，Q_水+Q_气=n₁Q₁+2n₁Q₂；观察电池在t下是否开裂或孔洞。本发明根据目标温度t可以计算出腔体内的气体压力以及对应所需要的K₂O的物质的量，通过观察电池在高温液体浸泡后是否开裂或孔洞来检测密封性能。

Description

一种模拟燃料电池在目标温度下密封性能的检测方法

技术领域

本发明属于电池密封技术领域，具体涉及一种模拟燃料电池在目标温度下密封性能的检测装置和方法。

背景技术

燃料电池是一种将氢的化学能转变为电能的发电装置，其具有无污染、工作温度低、噪声低等优点，在众多领域得到了广泛的研发和应用。燃料电池作为一种清洁能源产品已经开拓了一个崭新的能源利用方式。近年来，金属燃料电池的产品类型越来越丰富，电池的密封性能逐渐引起人们的重视，特别是对密闭性电池(不带循环系统、不能布置传感器等，如便携式电池)尤为重要。

金属燃料电池工作时会散发大量的热，因而电解液温度不断上升，导致电池腔体内的压力不断增大，气体在高温高压的环境里，到处“乱窜”，如果密封措施做不好，便会出现渗漏问题。在实际工况中，引起电池渗漏的关键参数为液体温度和气体压力。液体温度主要考量电池的结构和工艺在高温液体浸泡下，是否会出现开裂情况；气体压力主要考量电池内部是否存在微小孔洞，此类孔洞若不处理，会慢慢变大，导致明显的液体渗漏。同时，液体温度主要检验电池底部，而气体压力主要检验电池顶部，在一定程度上，可以将两参数分割独立，简单处理。

目前，在不改变电池原有结构的基础上，缺乏相应的方法去检验密闭电池的密封性能。鉴于此，急需一种有效的检验方法去检验密闭燃料电池的密封性能。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明提供了模拟燃料电池在目标温度下密封性能的检测方法。该方法在不改变燃料电池自身结构基础上，利用K₂O及产物与水的化学和物理反应，模拟密闭电池实际工况，检验燃料电池密封性能。

本发明还提供了模拟燃料电池在目标温度下密封性能的检测装置，在不影响燃料电池结构的基础上增加了用于存放K₂O的盒体，从而通过加入K₂O发生发应，观察燃料电池是否出现开裂或孔洞来检测燃料电池的密封性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种模拟燃料电池在目标温度下密封性能的检测方法，包括以下步骤：

(1)设燃料电池腔体的体积为V₀，其中腔体内水的体积为V₁，腔体内空气的体积为V₂，V₀＝V₁+V₂；腔体内的初始温度为t₀，腔体内的目标温度为t；

(2)假定向燃料电池腔体内加入n₁ mol的K₂O能够使腔体内温度达到目标温度t，K₂O与腔体内的水发生反应，并放热n₁Q₁，该过程(指的是K₂O与水反应)中消耗的水的体积为V₁₁，剩余水的体积为V₁-V₁₁；n₁ mol的K₂O消耗n₁ mol的水，那么V₁₁＝n₁×M_水/ρ_水，M_水为水的摩尔质量，ρ_水为水的密度；

(3)K₂O与水反应生成KOH，KOH溶于水中继续放热，放出的热量为2n₁Q₂；

(4)K₂O与腔体内水发生反应后，腔体内水温上升至目标温度t，此时需要吸收的热量为：

Q_水＝c_水m_水Δt＝c_水×m_水×(t-t₀)，其中c_水为水的比热容，m_水为腔体内与K₂O反应后剩余的水的质量，单位为kg，可通过m_水＝ρ_水×(V₁-V₁₁)算出，ρ_水为水的密度；

当腔体内气体温度上升至目标温度t时，需要吸收的热量为：

Q_气＝c_气m_气Δt＝c_气×m_气×(t-t₀)，其中c_气为空气的比热容，m_气为腔体内空气质量，可通过m_气＝ρ_气×V₂算出；

那么整个过程中的放热量Q_水+Q_气＝n₁Q₁+2n₁Q₂；Q₁和Q₂已知，由此计算得出假定加入的K₂O物质的量n₁；

(5)当K₂O与腔体内水发生反应后，此时腔体内水的温度为t，通过观察电池在此目标温度t下是否有开裂或孔洞判定燃料电池的密封性能。

进一步的，设腔体内CO₂的总体积为V_C，其中腔体内水中CO₂的体积为V_C1，腔体内空气中的CO₂体积为V_C2，V_C＝V_C1+V_C2。

优选的，根据理想气体状态方程PV＝nRT可以得出，K₂O与水进行反应后腔体内的气体压强P_后＝P_前×(n_后T_后)/(n_前T_前)＝P_前×(T_后÷T_前)，其中，P_前、n_前、T_前分别为反应前腔体内气体的压强、物质的量、温度；P_后、n_后、T_后分别为反应后腔体内气体的压强、物质的量、温度；由此可以计算出，当腔体内水的温度为t时，K₂O与水进行反应后腔体内的气体压强P_后。

进一步优选的，当K₂O与腔体内水发生反应后，此时腔体内水的温度为t，气体压强P_后，通过观察燃料电池在此目标温度t和压强P_后下是否有开裂或孔洞来判定燃料电池的密封性能。

优选的，检测环境为标准大气压，温度t₀为273.15K。

一种模拟燃料电池在目标温度下密封性能的检测装置，包括燃料电池以及设于燃料电池空腔上部的K₂O盒体，所述K₂O盒体与燃料电池的电极进行粘接或者卡接固定。

优选的，所述K₂O盒体的数量为两个，分别对称设于电极的左右两侧。

燃料电池的密封性检测过程如下：先将K₂O粉末放于K₂O盒体中，将K₂O盒体固定在电极上，K₂O盒体的宽度要适当，与电池壁要有间隙，K₂O盒体底部应高于液面；然后将定量液体(水)倒入电池内，再将固定好K₂O盒体的电极装入电池腔体，并在电池外壁涂抹肥皂水等，使渗漏的气体易于发现；最后来回晃动电池，让腔体内的液体充分溶解K₂O粉末，不断进行反应，通过观察电池外壁的肥皂水是否出现气泡检测电池是否有渗漏现象。

本发明的原理介绍如下：

K₂O与水会发生化学反应，生成KOH，属于放热反应；而KOH属于碱性物质，溶于水时放出大量热量；KOH与溶解于水的CO₂发生化学反应，生成K₂CO₃，继续释放热量，具体过程如下所述。

1)K₂O遇水反应，生成KOH，放出热量Q₁

K₂O(cr)+H₂O(l)＝2KOH(cr)+Q₁(实施例中记为第一步反应)

2)KOH溶解于水放出热量Q₂(实施例中记为第二步反应)

3)KOH与溶解于水的CO₂反应生成K₂CO₃，放出热量Q₃(该过程可以忽略)

2KOH(cr)+CO₂(g)＝K₂CO₃(cr)+H₂O(l)+Q₃(实施例中记为第三步反应)

在标准环境下，CO₂(g)的焓值为-393.5kJ/mol，H₂O(l)的焓值为-285.8kJ/mol，K₂O(cr)的焓值为-361.5kJ/mol，KOH(cr)的焓值为-424.8kJ/mol，K₂CO₃(cr)的焓值为-1151kJ/mol，因此，计算得出Q₁＝202.3kJ/mol，Q₂＝55.6kJ/mol，Q₃＝193.7kJ/mol。

依据Q₁、Q₂、Q₃，可以根据实际情况，计算反应过程中的具体热量。

和现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提供了明确的方法和详细的计算来检验密闭电池密封性能，能够较精准地达到液体温度和气体压力值，满足密闭电池密封性能检验要求；

2.本发明根据目标温度t可以计算出反应后的气体压力以及反应所需要的K₂O的物质的量，观察电池在液体温度为t下浸泡后的耐温能力以及电池在气体压强P_后下的耐压能力(即观察燃料电池在液体温度t和压强P_后下是否出现开裂或孔洞)，以此来检测燃料电池的密封性能。

附图说明

图1为本发明所述燃料电池的密封性检测装置的结构示意图；

图中：1为燃料电池，2为阳极，3为K₂O盒体。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行进一步说明，但并不是对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

实施例1

本实施例选用的燃料电池腔体的长宽高尺寸为100×20×100mm，腔体体积V₀为0.2L。液体和气体目标温度t为100℃，环境为标准大气压，温度t₀为0℃，设加水体积V₁为0.18L，上部存储气体体积V₂为0.02L。

在电池腔体内加入n₁ mol的K₂O与水进行反应，则第一步反应放出热量为(n₁×Q₁)，在第一步反应中，消耗水的体积V₁₁为V₁₁＝n₁₁M_水/ρ_水，剩余水的量为V₁-V₁₁＝0.18-n₁₁M_水/ρ_水；第二步溶解过程中，按1:1(KOH与水的溶解度近似为1:1)比例计算需消耗水的量为0.01L，因此剩余水量满足溶解KOH所需用量，KOH能够完全溶解，溶解过程放出热量为(n₁×Q₂)，第三步反应忽略不计(常温下CO₂溶解度与水的体积比为1:1，则水中CO₂体积V_C1为0.18L，上部气体中的CO₂体积V_C2为6×10^-6L，体积太小，可以忽略，则CO₂总体积V_C为0.18L，根据气体的体积等于气体的物质的量和气体摩尔体积的乘积计算得出CO₂的物质的量为0.008mol)，整个过程共放热近似为n₁Q₁+2n₁Q₂。

当电池腔体内水温上升至目标温度t＝100℃，需要吸收的热量为：

Q_水＝c_水m_水Δt＝c_水m_水(t-t₀)≈4.2×(0.174×1000×0.001)×100＝73.08kJ

电池腔体内气体温度上升100℃，需要吸收的热量为：

Q_气＝c_气m_气Δt＝c_气m_气(t-t₀)≈1×(0.02×0.001×1.293)×100＝2.59×10^-3kJ

Q_水和Q_气之和约为73.08kJ，通过Q_水+Q_气≈n₁Q₁+2n₁Q₂(因为忽略了第三步反应，所以此处是近似等于)计算出需要的K₂O的物质的量为0.28mol；即当目标温度t为100℃时，需要加入0.28mol的K₂O。

根据理想气体状态方程，PV＝nRT，推出K₂O与水反应后腔体上部气体压力为P_后＝P_前×(n_后T_后)/(n_前T_前)，其中，P_前、n_前和T_前为标准条件下的参数值。

由于CO₂的溶解度随着温度上升而下降，随着压强增大而上升。在此实例中，电池腔体上部气体摩尔数的变化只来自于水中溶解的气体，这部分气体量特别小，因此默认电池腔体上部气体摩尔数不变，因此反应后腔体上部气体压力为：

P_后＝P_前×T_后/T_前＝1.01325×10⁵×(100+273.15)/(0+273.15)≈0.138MPa

由上述计算可知，在此燃料电池产品中，加入0.28mol的K₂O就能让电池内的水温和气温从0℃升高到100℃，已涵盖所有以液态水为电解质的温度范围，反应后腔体上部气体压强为0.138MPa。

本实施例采用的模拟燃料电池在目标温度下密封性能的检测装置，包括燃料电池1以及设于燃料电池1空腔上部的K₂O盒体3，所述K₂O盒体3的数量为两个，分别粘接固定在燃料电池1阳极2的左右两侧。

需要说明的是，燃料电池结构采用本领域常规技术即可，岂不是本发明的创新之所在，此处不再赘述。

采用本发明的装置对燃料电池的密封性检测过程如下：先将0.28mol的K₂O粉末放于K₂O盒体3中，然后将K₂O盒体3固定在阳极2上，K₂O盒体3的宽度要适当，与电池腔体内壁要有间隙，K₂O盒体3的底部要高于液面；再将0.18L水倒入电池腔体内，再将固定好K₂O盒体3的阳极2装入电池腔体，并在燃料电池1外壁涂抹肥皂水；最后来回晃动电池，让腔体内的水充分溶解K₂O粉末，并不断进行反应，然后通过观察燃料电池1外壁是否出现气泡来检验燃料电池是否有渗漏现象(此时腔体内水的温度为100℃，气体压强为0.138MPa，通过观察电池在此温度和压强下是否有开裂或孔洞判定燃料电池的密封性能)。

关于本发明的具体实施，做了如下测试：

重复性测试：对同一个电池单体进行10次测试，测试情况如下：

选取燃料电池单体长宽高尺寸为100×20×100mm，腔体体积V₀为0.2L，加入0.18L水。将燃料电池单体放进低温箱中，设置初始温度为0度，待单体温度稳定后，取出燃料电池单体，加入0.28mol的K₂O，并迅速插入金属阳极，晃动使之充分反应，10min后，取出金属阳极，插入温度传感器，测量腔内气体和液体温度值，如此重复10次，测量结果见表1。

表1燃料电池的重复性测试

平行性测试：对10个电池单体进行测试，测试情况如下：

选取10个燃料电池单体长宽高尺寸为100×20×100mm，腔体体积V₀为0.2L，分别加入0.18L水。将燃料电池单体放进低温箱中，设置温度为0度，待温度稳定后，取出燃料电池单体，加入0.28mol K₂O，并迅速插入金属阳极，晃动使之充分反应，10min后，取出金属阳极，插入温度传感器，测量腔内气体和液体温度值，测量结果见表2。

表2燃料电池的平行性测试

序号	水温度(℃)	空气温度(℃)
			1	98.6	98.1
2	99.3	99.0
			3	98.7	98.3
4	99.4	99.1
			5	98.7	98.4
6	99.1	98.5
			7	98.6	98.1
8	98.4	98.9
			9	99.2	99.0
10	99.0	98.9

从表1和表2的数据可以看出，气体和液体温度值低于设计理论值，究其原因主要有：

1.在称取水和K₂O时，操作员读取数据存在偏差；

2.在晃动K₂O时，电池腔体内壁上可能残存少量K₂O；

3.在取出金属阳极和插入温度传感器过程中，电池单体与大气环境进行热交换；

4.温度传感器自身检测精度直接影响结果；

5.燃料电池单体在受高温影响后，内部密封措施受到影响，导致单体与大气环境进行热交换；

总的看来，通过添加K₂O检测电池内部密封性能方法可行，具有一定指导性。

实施例2

将实施例1中的目标温度t设成70℃，其它条件不变。

通过实施例1的方法过程进行计算，得到需要加入K₂O的量为0.2mol，整个过程共放热53.14kJ。为使电池腔体内水和气体温度上升70℃，共需热量约为51.33kJ，可知，反应产热满足热量需求。

因此反应后腔体上部气体压力为：

P_后＝P_前×T_后/T_前＝1.01325×10⁵×(70+273.15)/(0+273.15)≈0.127MPa。

此时腔体内水的温度为70℃，气体压强为0.127MPa，通过观察电池在此温度和压强下是否有开裂或孔洞判定燃料电池的密封性能。

实施例3

将实施例1中的目标温度t设成50℃，其它条件不变。

通过实施例1的方法过程进行计算，得到需要加入K₂O的量为0.14mol，整个过程共放热37.68kJ。为使电池腔体内水和气体温度上升50℃，共需热量约为36.67kJ，可知，反应产热满足热量需求。

因此反应后腔体上部气体压力为：

P_后＝P_前×T_后/T_前＝1.01325×10⁵×(50+273.15)/(0+273.15)≈0.120MPa。

此时腔体内水的温度为50℃，气体压强为0.120MPa，通过观察电池在此温度和压强下是否有开裂或孔洞判定燃料电池的密封性能。

本发明的过程分析如下：

从上述实施例1-3的计算结果可知，在燃料电池内加入0.28mol的K₂O，即可实现电池内部0-100℃温升范围和0.14MPa的气体压力；在燃料电池内加入0.2mol的K₂O，即可实现电池内部0-70℃温升范围和0.127MPa的气体压力；在燃料电池内加入0.14mol的K₂O，即可实现电池内部0-50℃温升范围和0.120MPa的气体压力。

如果要将0.18L水全部反应完，需要约3.33mol的K₂O，则总放热量为842.77kJ，根据水的汽化热40.8kJ/mol，可以将电池内所有液态水汽化，且还能维持腔体100℃温度，此时，依据理想状态气体方程，推出腔体内的压强P_后＝P_前×(n_后T_后)/(n_前T_前)＝1.01325×10⁵×(100+273.15)×(0.00089+10)/(0.00089×273)＝1556.27MPa，已远远超出标准大气压值，完全可以达到电池腔体内部气体要求。

通过此方法，可以实现电池腔体内部液体温度从0℃-100℃的区间变化，同时可以实现标准气压-1556.27MPa的区间变化，因此，此检验方法从液体温度和气体压力两个单向指标来看，均完全覆盖电池腔体内的液体温度和气体压力指标。

那么如何同时实现在某个特定温度值和特定压力值，可以用分步法和一步法，具体如下：

1.分步法：把液体水加热到要求温度，再添加到电池腔体，添加K₂O量仅需加热电池腔体上部空气量，或者直接添加K₂O使液体和气体达到目标温度值，在此阶段检验电池耐受液体温度的能力；之后，再往电池内部添加K₂O，使液体温度高出目标温度值，而使气压达到目标值，在此阶段检验电池耐受气体压力的能力。通过分步的方法实现电池内部液体温度和气体压力的精准重现。

2.一步法：即分步法的第二阶段，直接以气压为目标值，而液体温度略高，此种方法符合产品生产中的过程检验应严苛实际工况的要求。

需要说明的是：本发明提供的是一种检测方法，本实施例所使用的K₂O并不是对本发明的限制，实际操作过程中也可以使用CaO、Na₂O与水反应，以及活泼金属和某些浓强酸反应或者采用酸碱的中和反应等，均可以放出热量，其也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种模拟燃料电池在目标温度下密封性能的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）设燃料电池腔体的体积为V₀，其中腔体内水的体积为V₁，腔体内空气的体积为V₂，

V₀=V₁+V₂；腔体内的初始温度为t₀，腔体内的目标温度为t；

假定向燃料电池腔体内加入n₁ mol的K₂O能够使腔体内温度达到目标温度t，K₂O与腔体内的水发生反应，并放热n₁Q₁，该过程中消耗的水的体积为V₁₁，剩余水的体积为V₁-V₁₁；n₁mol的K₂O消耗n₁ mol的水，那么V₁₁=n₁×M_水/ρ_水，M_水为水的摩尔质量，ρ_水为水的密度；

K₂O与水反应生成KOH，KOH溶于水中继续放热，放出的热量为2n₁Q₂；

（2）K₂O与腔体内水发生反应后，腔体内水温上升至目标温度t，此时需要吸收的热量为：

Q_水=c_水m_水Δt=c_水×m_水×（t-t₀），其中c_水为水的比热容，m_水为腔体内与K₂O反应后剩余的水的质量，单位为kg，可通过m_水=ρ_水×（V₁-V₁₁）算出，ρ_水为水的密度；

当腔体内气体温度上升至目标温度t时，需要吸收的热量为：

Q_气=c_气m_气Δt=c_气×m_气×（t-t₀），其中c_气为空气的比热容，m_气为腔体内空气质量，可通过m_气=ρ_气×V₂算出；

那么整个过程中的放热量Q_水+Q_气=n₁Q₁+2n₁Q₂；Q₁和Q₂已知，由此计算得出假定加入的K₂O物质的量n₁；

（3）当K₂O与腔体内水发生反应后，此时腔体内水的温度为t，通过观察电池在此目标温度t下是否有开裂或孔洞判定燃料电池的密封性能。

2.根据权利要求1所述模拟燃料电池在目标温度下密封性能的检测方法，其特征在于，根据理想气体状态方程PV=nRT可以得出，K₂O与水进行反应后腔体内的气体压强P_后=P_前×（n_后T_后）/(n_前T_前）=P_前×（T_后÷T_前），其中，P_前、n_前、T_前分别为反应前腔体内气体的压强、物质的量、温度；P_后、n_后、T_后分别为反应后腔体内气体的压强、物质的量、温度；由此可以计算出，当腔体内水的温度为t时，K₂O与水进行反应后腔体内的气体压强P_后。

3.根据权利要求2所述模拟燃料电池在目标温度下密封性能的检测方法，其特征在于，当K₂O与腔体内水发生反应后，此时腔体内水的温度为t，气体压强P_后，通过观察燃料电池在此目标温度t和压强P_后下是否有开裂或孔洞来判定燃料电池的密封性能。

4.根据权利要求1所述模拟燃料电池在目标温度下密封性能的检测方法，其特征在于，检测环境为标准大气压，温度t₀为273.15 K。

5.一种模拟燃料电池在目标温度下密封性能的检测装置，利用权利要求1-4任一种的检测方法，其特征在于，包括燃料电池以及设于燃料电池空腔上部的K₂O盒体，所述K₂O盒体与燃料电池的电极进行粘接或者卡接固定。

6.根据权利要求5所述模拟燃料电池在目标温度下密封性能的检测装置，其特征在于，所述K₂O盒体的数量为两个，分别对称设于电极的左右两侧。