CN112556945B - 一种氢燃料电池气密性低压高效检漏系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池气密性低压高效检漏系统与方法，包括：燃料电池、电源、气泵、储气罐、继电器、系统控制器、压力传感器、电磁开关阀；所述燃料电池的两端均设有阴极腔开关阀、冷却液腔开关阀和阳极腔开关阀；所述燃料电池管路进口通过储气调压组件与低压供气源相连，所述燃料电池管路进口与储气调压组件之间设有用于气密性测量控制的第一电磁阀和用于气密性保压测量工作压力监测的第一压力传感器；所述压力传感器和电磁开关阀分别与系统控制器连接；所述气泵通过继电器与电源连接。本发明检漏系统可在同一检漏装置下集中完成外漏、串气及渗透的检测与评估，检测效率高，并可实现快速自动检测及定量计算。

Description

一种氢燃料电池气密性低压高效检漏系统与方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池气密性低压高效检漏系统与方法。
背景技术
随着燃料电池技术的发展及应用，燃料电池的安全运行也变得越来越重要。气密性良好是燃料电池安全运行的重要保障之一。气密性不好的燃料电池运行中，不仅会降低燃料的利用率从而影响电池的性能，更严重的是存在重大的电池安全隐患。因此，燃料电池组装完成运行前和运行一段时间后，都需要进行气密性检测。现有技术中，气密性检测都是采用高压气体作为检测气源，存在安全隐患，这对规范操作有一定要求。同时普遍存在检测的设备过于复杂，效率偏低等问题。因此，需要操作方便、安全、检测准确、低成本的燃料电池气密性检测系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种氢燃料电池气密性低压高效检漏系统与方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氢燃料电池气密性低压高效检漏系统，包括：
燃料电池、电源、气泵、储气罐、继电器、系统控制器、压力传感器、电磁开关阀；
所述燃料电池的两端均设有阴极腔开关阀、冷却液腔开关阀和阳极腔开关阀；
所述燃料电池管路进口通过储气调压组件与低压供气源相连，所述燃料电池管路进口与储气调压组件之间设有用于气密性测量控制的第一电磁阀和用于气密性保压测量工作压力监测的第一压力传感器；
所述低压供气源包括气泵，所述储气调压组件包括用于储气罐压力监测的第二压力传感器、储气罐和用于储气罐泄压的第二电磁阀；所述气泵和储气罐之间设置有用于压力隔离控制的第三电磁阀；
所述压力传感器和电磁开关阀分别与系统控制器连接；
所述气泵通过继电器与电源连接。
一种氢燃料电池气密性低压高效检漏方法，包括以下步骤：
1)外漏检测；
关闭进口端冷却液腔开关阀、出口端阳极腔开关阀、出口端冷却液腔开关阀、出口端阴极腔开关阀，打开进口端阴极腔开关阀和进口端阳极腔开关阀，电源开始供电，气泵启动工作，通过系统控制器作用，第三电磁阀开启，第二电磁阀和第一电磁阀关闭，监控储气罐压力上升至预设值，在压力值为3bar时，继电器断开，气泵停止工作，关闭第三电磁阀，记录第二压力传感器压力值P1后，开启第一电磁阀，待(约3-5s)到达压力平衡状态后，关闭第一电磁阀，记录第二压力传感器压力值P2和第一压力传感器压力值P3，并启动系统内部计时器开始计时，当时间t≥10min后，再次记录此时第一压力传感器的压力值P4，输入储气罐体积常数V1，通过计算燃料电池的串气速率来判定燃料电池是否存在外漏及漏气状态；
在t时间内，串气的速率
V1＝(P3－P4)*(P1－P2)*Vm*Vc/[t*(P3－P0)*RT]；
其中，T是室温的热力学温度，Vm是标准大气压下热力学温度对应的气体摩尔体积，P0是标准大气压，Vc是储气罐体积，R为气体常数；
2)串气检测；
在步骤1)中燃料电池(堆)没有外漏情况下，关闭进口端阴极腔开关阀、进口端阳极腔开关阀、出口端阳极腔开关阀、出口端冷却液腔开关阀、出口端阴极腔开关阀，打开进口端冷却液腔开关阀，选择串气测试模式，在系统控制器作用下，电源供电，气泵启动工作，第三电磁阀开启，第二电磁阀和第一电磁阀关闭，设定第二电磁阀的泄压开启值为1bar，储气罐压力上升并调节至预设值，在储气罐压力1bar时，将继电器断开，气泵停止工作，关闭第三电磁阀，记录第二压力传感器压力值P1，开启第一电磁阀，待(约3-5s)到达压力平衡后，关闭第一电磁阀，记录第二压力传感器压力值P2和第一压力传感器压力值P3，并启动计时器开始计时，当时间t达到10min后，再次记录此时压力传感器的压力值P4，输入储气罐体积，计算燃料电池串气的速率来判断冷却液腔与阴极腔是否存在串气及串气状况；
串气的速率
V2＝(P3－P4)*(P1－P2)*Vm*Vc/[t*(P3－P0)*RT]；
其中，T是室温的热力学温度，Vm是标准大气压下热力学温度对应的气体摩尔体积，P0是标准大气压，Vc是储气罐体积，R为气体常数；
3)在燃料电池(堆)没有外漏且不串气情况下，关闭进口端阴极腔开关阀、进口端冷却液腔开关阀、出口端阳极腔开关阀、出口端冷却液腔开关阀、出口端阴极腔开关阀，打开进口端阳极腔开关阀，在系统控制器作用下电源供电，气泵启动工作，第三电磁阀开启，第二电磁阀和第一电磁阀关闭，第二电磁阀的泄压开启值设定为1bar，储气罐压力上升并调节至预设值，在1bar时，继电器断开，气泵停止工作，关闭第三电磁阀，记录第二压力传感器压力值P1，开启电磁阀，等待约3-5s到达压力平衡后，关闭电磁阀，记录第二压力传感器压力值P2和第一压力传感器压力值P3，并启动计时器开始计时，当时间t≥5min后，再次记录此时压力传感器的压力值P4，输入储气罐体积、气体摩尔体积、燃料电池单电池个数及膜电极面积，即可根据上述参量和串气的速率计算燃料电池膜的平均渗透速率来判断膜电极的渗透状况；
串气的速率
V3＝(P3－P4)*(P1－P2)*Vm*Vc/[10*(P3－P0)*RT]；
其中，T是室温的热力学温度，Vm是标准大气压下热力学温度对应的气体摩尔体积，P0是标准大气压，Vc是储气罐体积，R为气体常数。
本发明产生的有益效果是：
1、本发明采用气泵和储气罐组合用于代替高压检测气源，操作过程中没有高压及高压转换的安全隐患，具有随时用随时停的优点。
2、本发明氢燃料电池气密性快速检漏系统组成简单，可在同一装置下集中完成外漏、串气及渗透的检测与评估，检测效率高，可实现快速自动检测及定量计算。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的结构示意图；
图中：1-电源；2-气泵；3-气道开关阀；4-压力传感器；5-储气罐；6-压力调节开关阀；7-气道开关阀；8-压力传感器；9-进口端阴极腔开关阀；10-进口端冷却腔开关阀；11-进口端阳极腔开关阀；12-出口端阳极腔开关阀；13-出口端冷却腔开关阀；14-出口端阴极腔开关阀；15-秒表；16-继电器；17-电磁阀；18-电磁阀；19-电磁阀；20-系统控制器；21-显示器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种氢燃料电池气密性低压高效检漏系统，包括：
燃料电池、电源、气泵、储气罐、继电器、系统控制器、压力传感器、电磁开关阀；
所述燃料电池的两端均设有阴极腔开关阀、冷却液腔开关阀和阳极腔开关阀；
所述燃料电池管路进口通过储气调压组件与低压供气源相连，所述燃料电池管路进口与储气调压组件之间设有用于气密性测量控制的第一电池阀和用于气密性保压测量工作压力监测的第一压力传感器；
所述低压供气源包括气泵，所述储气调压组件包括用于储气罐压力监测的第二压力传感器、储气罐和用于储气罐泄压的第二电磁阀；所述气泵和储气罐之间设置有用于压力隔离控制的第三电磁阀；
所述压力传感器和电磁开关阀分别与系统控制器连接；
所述气泵通过继电器与电源连接。
本实施例中，气泵为隔膜泵，流量为3L/min，最大工作压力范围4bar，其出口与气道开关阀一端相连。气泵通过继电器在系统控制器控制下判定工作状态的启停。电源在整个检测过程中处于泵的额定工作电压下，并一直处于开启状态。
本实施例中，储气罐的容量为6L，最大工作压力5bar，储气罐设置有泄压电磁阀。泄压电磁阀的开闭受系统控制器控制，可根据检测需求压力，设置不同的泄压电磁阀开启值，可避免由单侧压力过高引起的膜电极破损的情况发生。
压力传感器可采用高精度数字电子气压表，以保障压力值的在线监测，量程为0-6bar。其中，电磁阀18为常闭型，电磁阀19和电磁阀17为常开型。
本实施例中开关阀均为手动开关球阀。相关器件及气管连接处气密性良好。
系统控制器根据设置、保持内部参数并结合输入的外部参数，选择不同的工况进行后，实现对多点的压力进行监测和调控，并对继电器和各个电磁阀进行开闭动作的控制。
显示器采用触摸式人机互动型显示器，可根据实际选择不同测试工况，并显示漏气量检测结果。
实施例2为氢燃料电池气密性简易检测系统，将燃料电池(堆)检漏系统按图2中的连接完成，缺少系统控制器，测试方法与实施案例1相同，需要手动记录相关值并计算，可以实现同样的检漏目的。这样可以有效降低系统的装置连线连接复杂性，不足之处是检测效率也有所降低。可根据实际需要选择合适的检漏系统使用。
在实际操作过程中，将燃料电池(堆)自动测试检漏系统按图1中的连接完成，进行氢燃料电池气密性检测。
一种氢燃料电池气密性低压高效检漏方法，包括以下步骤：
1)外漏检测；
关闭进口端冷却液腔开关阀、出口端阳极腔开关阀、出口端冷却液腔开关阀、出口端阴极腔开关阀，打开进口端阴极腔开关阀1-9和进口端阳极腔开关阀，电源开始供电，气泵启动工作，通过系统控制器作用，第三电磁阀17开启，第二电磁阀18和第一电磁阀19关闭，监控储气罐压力上升至预设值，在压力值为3bar时，继电器16断开，气泵2停止工作，关闭第三电磁阀17，记录第二压力传感器4压力值P1后，开启第一电磁阀19，待(约3-5s)到达压力平衡状态后，关闭第一电磁阀19，记录第二压力传感器4压力值P2和第一压力传感器8压力值P3，并启动系统内部计时器开始计时，当时间t≥10min后，再次记录此时第一压力传感器8的压力值P4，输入储气罐体积常数V1，通过计算燃料电池的串气速率来判定燃料电池(堆)是否存在外漏及漏气状态；
在t时间内，串气的速率
V1＝(P3－P4)*(P1－P2)*Vm*Vc/[t*(P3－P0)*RT]；
其中，T是室温的热力学温度，Vm是标准大气压下热力学温度对应的气体摩尔体积，P0是标准大气压，Vc是储气罐体积，R为气体常数；
2)串气检测；
在步骤1)中燃料电池(堆)没有外漏情况下，关闭进口端阴极腔开关阀、进口端阳极腔开关阀、出口端阳极腔开关阀、出口端冷却液腔开关阀、出口端阴极腔开关阀，打开进口端冷却液腔开关阀，选择串气测试模式，在系统控制器作用下，电源供电，气泵启动工作，第三电磁阀17开启，第二电磁阀18和第一电磁阀19关闭，设定第二电磁阀18泄压开启值为1bar，储气罐压力上升并调节至预设值，在储气罐压力1bar时，将继电器16断开，气泵2停止工作，关闭第三电磁阀17，记录第二压力传感器4压力值P1，开启第一电磁阀19，待(约3-5s)到达压力平衡后，关闭第一电磁阀19，记录第二压力传感器4压力值P2和第一压力传感器8压力值P3，并启动计时器开始计时，当时间t达到10min后，再次记录此时压力传感器8的压力值P4，输入储气罐体积，计算燃料电池串气的速率来判断冷却液腔与阴极腔是否存在串气及串气状况；
已知温度T、气体常数R、储气罐体积V1，通过自动监测并记录各处压力值，可计算时间t＝10min内漏气速率。
串气的速率
V2＝(P3－P4)*(P1－P2)*Vm*Vc/[10*(P3－P0)*RT]；
其中，T是室温的热力学温度，Vm是标准大气压下热力学温度对应的气体摩尔体积，P0是标准大气压，Vc是储气罐体积，R为气体常数；
3)在燃料电池(堆)没有外漏且不串气情况下，关闭进口端阴极腔开关阀1-9、进口端冷却液腔开关阀1-10、出口端阳极腔开关阀2-12、出口端冷却液腔开关阀2-13、出口端阴极腔开关阀2-14，打开进口端阳极腔开关阀1-11，在系统控制器作用下电源1供电，气泵2启动工作，第三电磁阀17开启，第二电磁阀18和第一电磁阀19关闭，第二电磁阀18泄压开启值设定为1bar，储气罐压力上升并调节至预设值，在1bar时，继电器16断开，气泵2停止工作，关闭第三电磁阀17，记录第二压力传感器4压力值P1，开启电磁阀19，等待约3-5s到达压力平衡后，关闭电磁阀19，记录第二压力传感器4压力值P2和第一压力传感器8压力值P3，并启动计时器开始计时，当时间t≥5min后，再次记录此时压力传感器8的压力值P4，然后输入储气罐体积、气体摩尔体积、燃料电池单电池个数及膜电极面积，即可根据上述参量和串气的速率计算燃料电池膜的平均渗透速率来判断膜电极的渗透状况；
串气的速率
V3＝(P3－P4)*(P1－P2)*Vm*Vc/[10*(P3－P0)*RT]；
其中，T是室温的热力学温度，Vm是标准大气压下热力学温度对应的气体摩尔体积，P0是标准大气压，Vc是储气罐体积，R为气体常数。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种使用氢燃料电池气密性低压高效检漏系统的氢燃料电池气密性低压高效检漏方法，
所述氢燃料电池气密性低压高效检漏系统包括：
燃料电池、电源、气泵、储气罐、继电器、系统控制器、压力传感器、电磁开关阀；
所述燃料电池的两端均设有阴极腔开关阀、冷却液腔开关阀和阳极腔开关阀；
所述燃料电池管路进口通过储气调压组件与低压供气源相连，所述燃料电池管路进口与储气调压组件之间设有用于气密性测量控制的第一电磁阀和用于气密性保压测量工作压力监测的第一压力传感器；
所述低压供气源包括气泵，所述储气调压组件包括用于储气罐压力监测的第二压力传感器、储气罐和用于储气罐泄压的第二电磁阀；所述气泵和储气罐之间设置有用于压力隔离控制的第三电磁阀；
所述压力传感器和电磁开关阀分别与系统控制器连接；
所述气泵通过继电器与电源连接；
其特征在于，包括以下步骤：
1)氢燃料电池外漏检测；
关闭进口端冷却液腔开关阀、出口端阳极腔开关阀、出口端冷却液腔开关阀、出口端阴极腔开关阀，打开进口端阴极腔开关阀和进口端阳极腔开关阀，电源开始供电，气泵启动工作，通过系统控制器作用，第三电磁阀开启，第二电磁阀和第一电磁阀关闭，监控储气罐压力上升至预设值，在压力值为3bar时，继电器断开，气泵停止工作，关闭第三电磁阀，记录第二压力传感器压力值P1后，开启第一电磁阀，待到达压力平衡状态后，关闭第一电磁阀，记录第二压力传感器压力值P2和第一压力传感器压力值P3，并启动系统内部计时器开始计时，当计时时间t≥10min后，再次记录此时第一压力传感器的压力值P4，输入储气罐体积常数V1，通过计算燃料电池的串气速率来判定燃料电池是否存在外漏及漏气状态；
在t时间内，串气的速率
V1＝(P3－P4)*(P1－P2)*Vm*Vc/[t*(P3－P0)*RT]；
其中，T是室温的热力学温度，Vm是标准大气压下热力学温度对应的气体摩尔体积，P0是标准大气压，Vc是储气罐体积，R为气体常数；
2)氢燃料电池串气检测；
在步骤1)中燃料电池没有外漏情况下，关闭进口端阴极腔开关阀、进口端阳极腔开关阀、出口端阳极腔开关阀、出口端冷却液腔开关阀、出口端阴极腔开关阀，打开进口端冷却液腔开关阀，选择串气测试模式，在系统控制器作用下，电源供电，气泵启动工作，第三电磁阀开启，第二电磁阀和第一电磁阀关闭，设定第二电磁阀的泄压开启值为1bar，储气罐压力上升并调节至预设值，在储气罐压力1bar时，将继电器断开，气泵停止工作，关闭第三电磁阀，记录第二压力传感器压力值P1，开启第一电磁阀，待到达压力平衡后，关闭第一电磁阀，记录第二压力传感器压力值P2和第一压力传感器压力值P3，并启动计时器开始计时，当计时时间t达到10min后，再次记录此时压力传感器的压力值P4，输入储气罐体积，计算燃料电池串气的速率来判断冷却液腔与阴极腔是否存在串气及串气状况；
串气的速率
V2＝(P3－P4)*(P1－P2)*Vm*Vc/[t*(P3－P0)*RT]；
其中，T是室温的热力学温度，Vm是标准大气压下热力学温度对应的气体摩尔体积，P0是标准大气压，Vc是储气罐体积，R为气体常数；
3)氢燃料电池膜电极的渗透检测；
在燃料电池没有外漏且不串气情况下，关闭进口端阴极腔开关阀、进口端冷却液腔开关阀、出口端阳极腔开关阀、出口端冷却液腔开关阀、出口端阴极腔开关阀，打开进口端阳极腔开关阀，在系统控制器作用下电源供电，气泵启动工作，第三电磁阀开启，第二电磁阀和第一电磁阀关闭，第二电磁阀的泄压开启值设定为1bar，储气罐压力上升并调节至预设值，在1bar时，继电器断开，气泵停止工作，关闭第三电磁阀，记录第二压力传感器压力值P1，开启电磁阀，等待到达压力平衡后，关闭电磁阀，记录第二压力传感器压力值P2和第一压力传感器压力值P3，并启动计时器开始计时，当计时时间t≥5min后，再次记录此时压力传感器的压力值P4，输入储气罐体积、气体摩尔体积、燃料电池单电池个数及膜电极面积，即可根据上述参量和串气的速率计算燃料电池膜的平均渗透速率来判断膜电极的渗透状况；
其中，串气的速率计算如下：
V3＝(P3－P4)*(P1－P2)*Vm*Vc/[10*(P3－P0)*RT]；
其中，T是室温的热力学温度，Vm是标准大气压下热力学温度对应的气体摩尔体积，P0是标准大气压，Vc是储气罐体积，R为气体常数。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池气密性低压高效检漏方法，其特征在于，所述气泵为隔膜泵。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池气密性低压高效检漏方法，其特征在于，所述阴极腔开关阀、冷却液腔开关阀和阳极腔开关阀均为手动开关球阀。
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