CN114512694A - 一种燃料电池电堆中双极板泄露的检测方法及维修方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双极板检漏方法，具体涉及一种燃料电池电堆中双极板泄露的检测方法及维修方法，包括如下步骤：从水腔和阴极(阳极)进口分别通入燃料(氧化剂)和氧化剂(燃料)，阴阳极腔体压力一致，当水腔与阴极(阳极)腔体的压差达设定压差时，记录电压>0V的双极板，停止供气；向腔体内通入惰性气体至电压稳定；从水腔和阴极(阳极)出口分别通入燃料(氧化剂)和氧化剂(燃料)，阴阳极腔体压力一致，当水腔与阴极(阳极)腔体的压差达设定压差时，记录电压>0V的双极板，停止供气；向腔体内通入惰性气体至电压稳定。与现有技术相比，本发明通过改变检测串漏双极板时的进气方式，从而高效的检测出串漏双极板，提高了电堆维修的效率。

Description

一种燃料电池电堆中双极板泄露的检测方法及维修方法
技术领域
本发明涉及一种双极板检漏方法，具体涉及一种燃料电池电堆中双极板泄露的检测方法及维修方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、响应速度快、低温启动性能好、无污染、低排放等特点，在固定发电站、备用电源、交通运输、航空航天和军工等领域有着非常广泛的应用前景，尤其在燃料电池汽车方面的应用备受关注，因此，质子交换膜燃料电池技术作为一种绿色能源技术，越来越受到广泛关注。
双极板在制成过程中，由于制程工艺存在的缺陷，会导致双极板存在串漏缺陷；此外，双极板在车辆端的使用过程中，由于系统控制策略的失效，也会导致双极板发生串漏故障，进而引发防冻液泄露。
现有的检测方法是：膜电极的左右两侧分别为阴阳极单板，其中水腔通入燃料气体，阳极/阴极流场中通入氧化剂气体。如果双极板中存在漏点，水腔里的燃料(氧化剂)气体会从单极板串漏到气体腔(阳极/阴极)，由于另一腔体已经存在氧化剂(燃料)气体，膜电极两侧同时存在燃料和氧化剂气体形成电势差，产生电压。通过电压产生与否判定双极板是否发生了串漏。然而对于靠近单极板流场出口处的漏点，无法实现准确判断，可能存在从水腔泄露到阳极/阴极腔体的燃料/氧化剂气体会直接顺着气体出口排出电堆外部，无法与气体腔的氧化剂/燃料形成电势，进而导致现有方法的判定失效。由此可见，现有技术方法仅能识别部分串漏双极板单片，导致需要多次进行相关技术的测试，且不能保障检测方式的有效性。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种燃料电池电堆中双极板泄露的检测方法及维修方法，能够实现电堆中各个双极板简单快速且准确的查漏。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明第一方面公开了一种燃料电池电堆中双极板泄露的检测方法，包括如下步骤：
从水腔进口通入燃料，从阴极进口通入氧化剂，阴极腔体与阳极腔体压力一致，测定水腔与阴极腔体的压差，当达到设定压差时，记录电压>0V的双极板，停止供气；向水腔和阴极腔体中通入惰性气体，直至电堆电压稳定；
从水腔出口通入燃料，从阴极出口通入氧化剂，阴极腔体与阳极腔体压力一致，测定水腔与阴极腔体的压差，当达到设定压差时，记录电压>0V的双极板，停止供气；向水腔和阴极腔体中通入惰性气体，直至电堆电压稳定；
从水腔进口通入氧化剂，从阳极进口通入燃料，阴极腔体与阳极腔体压力一致，测定水腔与阳极腔体的压差，当达到设定压差时，记录电压>0V的双极板，停止供气；向水腔和阳极腔体中通入惰性气体，直至电堆电压稳定；
从水腔出口通入氧化剂，从阳极出口通入燃料，阴极腔体与阳极腔体压力一致，测定水腔与阳极腔体的压差，当达到设定压差时，记录电压>0V的双极板，停止供气；向水腔和阳极腔体中通入惰性气体，直至电堆电压稳定；
其中，电压>0V的双极板为存在泄露的双极板。
优选地，上述各步骤无规定顺序，可以根据需要调换检测顺序。在每单次检测之后，都需要通入惰性气体对腔体内进行冲洗，排尽燃料和氧化剂。
本检测方法分别对水腔、阳极腔体和阴极腔体均进行正向检测(由进口向腔体内部通入气体)和反向检测(由出口向腔体内部通入气体)，可以有效地将原先正向检测时存在于靠近出口处的漏点，在反向检测时转化为靠近进口处的漏点，即通过改变进气方式，使得原先难以检测出来的漏点也能够简单的检测得到。
优选地，所述的压差为燃料与氧化剂的压力差。这样在存在漏点的时候，燃料能够在压差的作用下与氧化剂混合，进而能够形成电势差，产生电压。
优选地，所述的设定压差为1-300kPa。在该压差范围内，能够使产生的电势差和电压准确，避免误判。漏量大小对压差的敏感性成正比，若没有压差，则会无法检测到电势差信号；在漏量固定的情况下，压差越大，则体现出来的电势差越大，越容易甄别；而在压差固定的情况下，漏量越大，则电势差越大，因而控制设定压差在1-300kPa下既能够保证良好的检测，又可以防止压差过大而导致双极板的二次损伤。
优选地，双极板的电压通过CVM测定。CVM指燃料电池电堆巡检，通过对单体电压信号的检查，来判断燃料电池的工作状态。
优选地，所述的燃料为氢气。
优选地，所述的氧化剂为氧气。
优选地，所述的惰性气体为氮气。
优选地，所述的惰性气体为氦气。
通过惰性气体对三腔(水腔、阳极流场和阴极流场)的冲洗，可以使得双极板内部无气体残留，避免影响后续判断，同时也可以避免发生安全事故。此外，通入惰性气体至电堆电压稳定可以进一步保证内部的气体被排除干净，防止意外发生。
通过对双极板的三腔进行正向和反向的多轮检测，可以使进口位置与出口位置进行多次调换、检测，进而能够保证双极板的检漏过程中不会发生漏检的情况。
本发明第二方面公开了一种燃料电池电堆中双极板泄露的维修方法，包括如下步骤：
S1：按照如上任一所述的检测方法进行双极板泄露的检测，然后将电压>0V的双极板进行替换；
S2：重复步骤S1，直至双极板泄露检测合格，结束维修。
优选地，所述的检测合格为电堆中所有双极板的电压检测结果均不大于0V。也就是说该电堆中的所有双极板都不存在漏点，可以保证后续电堆使用的安全性和可靠性。
由于双极板是：一块阳极单板(一侧为刻有水腔的水流场，另一侧为刻有阳极的气体流场)，一块阴极单板(一侧为刻有水腔的水流场，另一侧为刻有阴极的气体流场)，通过将阴阳极单板的水流场对水流场进行粘合，形成了一块包含阴阳极气体流场及水流场的双极板。由于，发生双极板串漏时，有可能是阳极单板发生串漏，也可能是阴极单板发生串漏，因此，需要分别对阳极单板和阴极单板进行分开检测。
当阳极单板存在漏点时：水腔内通过氢气，阴极腔体内通过空气，在水腔与阳极腔体压差的作用下，水腔的氢气会通过阳极单板的漏点渗漏进入阳极腔体，此时，在该单片位置的膜电极两侧同时存在氢气和空气就会形成开路电压，从而能够识别到串漏片双极板所在的位置；
当阴极单板存在漏点时，其与阳极单板存在漏点的情况相似。
通过该方法还能确定串漏双极板为阴极侧还是阳极侧单板串漏。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本检测方法通过对双极板三腔进出气口进行正向、反向通气检测，可以避免当阴/阳极单板靠近流场出口位置出现漏点时检测不准确的情况(产生的电压过小，难以检测到)。本发明通过改变在检测串漏双极板时的进气方式，从而快速高效的检测出新的串漏双极板，提高了电堆维修的效率，方法简单可靠，通过简单的设备即可实现，同时，在每次检测步骤完成后，均会通入惰性气体进行冲洗，可以保证检测过程的安全性和可靠性。
2、在完成检测之后替换掉电堆中测试电压>0V的双极板，再次进行检测，最终能够得到无串漏双极板的电堆，保证使用者在使用时的安全，并且可以降低产品的维修率。
附图说明
图1为双极板的结构示意图；
图2为本发明实施例1的检测方法的流程示意图；
图3为本发明实施例1的检测方法的测试结果示意图；
图4为本发明实施例1中CVM序号系列I的检测方法的测试结果示意图；
图5为本发明实施例1中CVM序号系列II的检测方法的测试结果示意图；
图6为本发明实施例1中CVM序号系列III的检测方法的测试结果示意图；
图7为本发明实施例1中CVM序号系列IV的检测方法的测试结果示意图；
图8为本发明实施例2的检测方法的测试结果示意图；
图9为本发明对比例1的检测方法的测试结果示意图；
图10为本发明对比例2的检测方法的测试结果示意图；
图中：1-阴极进口；2-阳极进口；3-水腔出口；4-水腔进口；5-阳极出口；6-阴极出口；7-漏点。
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。
实施例1
本实施例为在30块双极板的电堆中，在第6块、第11块、第18块和第24块的位置设置流场带有漏点7的双极板，每块双极板设置若干个漏点7，如图1所示，分别为漏点7A、漏点7B和漏点7C，其中，漏点7A存在于阴极单板靠近水流场出口的阴极出口位置，漏点7B存在于阳极单板靠近水流场出口的阳极流场出口，漏点7C存在于阴阳极单板靠近流场的非气体出口位置的中间/其他位置。其中，第6块为阴极单板漏点7A，第11块为阳极单板漏点7B，第18块为漏点7C(存在于阴/阳极单板均可)，第24块为阴极单板漏点7A、阳极单板漏点7B和漏点7C。如图2所示，为本实施例中的检测和维修所采用的顺序，具体步骤如下：
1)阳极单板串漏情况甄别：分别向电堆的水腔(水腔进口4)和阴极(阴极进口1)通入氢气和空气，阴极腔体与阳极腔体压力一致，当电堆的水腔与阴极的压差达到设定压差时(阳极-阴极＝30kPa)，记录电压>0V的所有CVM(电池电压监视器)序号系列Ⅰ，如图4所示；
2)停止供气，电堆三腔通入氮气，冲洗三腔，直至电堆电压达到稳定状态，不再下降；
3)改变进气方式，阳极单板串漏情况甄别：向该电堆的水腔出口3和阴极出口6分别通入氢气和空气，阴极腔体与阳极腔体压力一致，当电堆的水腔与阴极的压差达到设定压差时(30kPa)，记录电压>0V的所有CVM序号系列Ⅱ，如图5所示；
4)停止供气，电堆三腔通入氮气，冲洗三腔，直至电堆电压达到稳定状态，不再下降；
5)阴极单板串漏情况甄别：分别向电堆的水腔(水腔进口4)和阳极(阳极进口2)通入空气和氢气，阴极腔体与阳极腔体压力一致，当电堆的水腔与阳极的压差达到设定压差时(30kPa)，记录电压>0V的所有CVM序号系列Ⅲ，如图6所示；
6)停止供气，电堆三腔通入氮气，冲洗三腔，直至电堆电压达到稳定状态，不再下降；
7)改变进气方式，阴极单板串漏情况甄别：向该电堆的水腔出口3和阳极出口5分别通入空气和氢气，阴极腔体与阳极腔体压力一致，当电堆的水腔与阳极的压差达到设定压差时(30kPa)，记录电压>0V的所有CVM序号系列Ⅳ，如图7所示；
8)停止供气，电堆三腔通入氮气，冲洗三腔，直至电堆电压达到稳定状态，不再下降；
9)更换1)～7)中CVM序号系列Ⅰ～系列Ⅳ的双极板，换上漏量合格的双极板，最终可获得电堆双极板串漏量明显下降电堆。
如图3所示，为本实施例中CVM检测得到的电压信号值，可见本检测方法能够准确实现漏点7的检测，并且能够对位于电堆不同位置的双极板以及位于双极板不同位置的漏点7进行有效检验，可以说明本方法确实可行有效。其中CVM序号系列I仅能识别阳极单板18、24上存在的漏点7，而无法识别单片11(阳极单板漏点7在出口位置)、单片6(单片6为阴极单板串漏片)；CVM序号系列II可以识别单片11、18、24上存在的漏点7，而同样无法识别单片6，因为本次只检测阳极板情况；CVM序号系列III仅能识别阴极单板18、24上存在的漏点7，无法识别单片6(单片6为阴极单板出口串漏片)、单片11(阳极单板串漏片)；CVM序号系列IV仅能识别阴极单板6、18、24上存在的漏点7，无法识别单片11(阳极单板串漏片)。由此可见，传统方式(仅使用CVM序号系列I的情况)无法完全检测出全部漏点7，而本方法可以完整检测得到所有的漏点7。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，将存在漏点7的双极板更换至电堆中的第9块、第15块、第21块和第28块的位置，并在第3块的位置增加一块带漏点7的双极板，其中，第9块为漏点7A和漏点7C，第15块为漏点7A和漏点7B，第21块为漏点7C，第28块为漏点7B，第3块为漏点7A。
测试过程与实施例1基本相同，不同之处在于，将实施例1的通气顺序调整为3)-7)-5)-1)，其中每个步骤中同样也设置惰性气体的冲洗步骤，本实施例采用的惰性气体为氦气；测试过程中设置设定压差为45kPa，测试结果如图8所示。
可见，本实施例的测试方法能够清晰的分辨出电堆中存在漏点7的双极板，说明本方法确实可行有效。
对比例1
采用现有的测试方法对实施例1中的电堆进行测试，测试结果如图9所示。
对比例2
采用现有的测试方法对实施例2中的电堆进行测试，测试结果如图10所示。
对比实施例1、实施例2、对比例1和对比例2，可以发现，采用传统的方法仅能够检测得到C点处是否存在漏点7，而对于A点和B点处则会由于靠近其均位于出口位置处，而难以检测；而本发明的检测方法能够精准测定电堆中存在漏点7的双极板位置，且测定结果直观，容易辨别。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆中双极板泄露的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
从水腔进口(4)通入燃料，从阴极进口(1)通入氧化剂，阴极腔体与阳极腔体压力一致，测定水腔与阴极腔体的压差，当达到设定压差时，记录电压>0V的双极板，停止供气；向水腔和阴极腔体中通入惰性气体，直至电堆电压稳定；
从水腔出口(3)通入燃料，从阴极出口(6)通入氧化剂，阴极腔体与阳极腔体压力一致，测定水腔与阴极腔体的压差，当达到设定压差时，记录电压>0V的双极板，停止供气；向水腔和阴极腔体中通入惰性气体，直至电堆电压稳定；
从水腔进口(4)通入氧化剂，从阳极进口(2)通入燃料，阴极腔体与阳极腔体压力一致，测定水腔与阳极腔体的压差，当达到设定压差时，记录电压>0V的双极板，停止供气；向水腔和阳极腔体中通入惰性气体，直至电堆电压稳定；
从水腔出口(3)通入氧化剂，从阳极出口(5)通入燃料，阴极腔体与阳极腔体压力一致，测定水腔与阳极腔体的压差，当达到设定压差时，记录电压>0V的双极板，停止供气；向水腔和阳极腔体中通入惰性气体，直至电堆电压稳定；
其中，电压>0V的双极板为存在泄露的双极板。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆中双极板泄露的检测方法，其特征在于，所述的压差为燃料与氧化剂的压力差。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池电堆中双极板泄露的检测方法，其特征在于，所述的设定压差为1-300kPa。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆中双极板泄露的检测方法，其特征在于，双极板的电压通过CVM测定。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆中双极板泄露的检测方法，其特征在于，所述的燃料为氢气。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆中双极板泄露的检测方法，其特征在于，所述的氧化剂为氧气。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆中双极板泄露的检测方法，其特征在于，所述的惰性气体为氮气。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆中双极板泄露的检测方法，其特征在于，所述的惰性气体为氦气。
9.一种燃料电池电堆中双极板泄露的维修方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：按照如权利要求1-8任一所述的检测方法进行双极板泄露的检测，随后将电压>0V的双极板进行替换；
S2：重复步骤S1，直至双极板泄露检测合格，结束维修。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池电堆中双极板泄露的维修方法，其特征在于，所述的检测合格为电堆中所有双极板的电压检测结果均不大于0V。
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