CN116565263A - 一种燃料电池电堆气密性快速检测系统及方法 - Google Patents

一种燃料电池电堆气密性快速检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池电堆气密性检测系统及方法，该系统包括：阳极管路，与待测燃料电池电堆的阳极腔体连接，包括阳极管路进气、阳极管路排气和阳极管路流量压力控制；阴极管路，与待测燃料电池电堆的阴极腔体连接，包括冷却管路进气、冷却管路排气和冷却管路流量压力控制；冷却管路，与待测燃料电池电堆的冷却腔体连接，包括阴极管路进气、阴极管路排气和阴极管路流量压力控制；气源，包括多种不同种类气体的气源，不同种类气源分别与各管路连接；CVM巡检，与燃料电池的每片极板连接，用于测试电堆中单电池电压。本发明能够根据需要选择不同测试气体，并结合压力变化及CVM巡检数据更精准地判断泄露点，缩短产品的生产周期及返修成本。

Description

一种燃料电池电堆气密性快速检测系统及方法
技术领域
本发明涉及燃料电池电堆检测技术领域，尤其是涉及一种燃料电池电堆气密性快速检测系统及测试方法。
背景技术
燃料电池电堆的气密性关系到燃料电池电堆的工作性能和可靠性，已成为衡量燃料电池能够长期稳定工作的关键指标。燃料电池电堆是由若干个单电池堆叠形成的电堆，其中含有阴极、阳极和冷却三个相互独立的流体流动腔体。密性失效主要由封装失效导致的外漏和CCM破损导致三腔内部窜漏。外漏是指电堆内氧化气体腔体、燃料气体腔体、冷却腔体向大气的泄露。窜漏是指电堆内氧化气体腔体、燃料气体腔体、冷却腔体互相的泄露。而当前燃料电池电堆气密性测试流程繁杂、操作笨拙、检测精度差，无法定位失效部位。市场上常用的气密性检测系统有双极板单片检测台和整堆外漏检测台。单片双极板气密性检测系统的市场占有量较大，但无法检测到装堆过程发生的极板损坏或密封件失效；而电堆气密性测试台基于保压法测试腔体的外漏，无法定位失效的单片电池。
申请号为CN202211509309.4的中国发明专利“一种燃料电池电堆用的检漏诊断系统及其控制方法“，是一种检测燃料电池电堆检漏的诊断系统，该发明包含尾排液态水收集功能，同时具备气体、压力、流量控制功能。实现检测三腔之间串漏的压力和流量提供，同时通过单片电压检测实现电堆出厂的快速诊断。但该技术在进气物种单一，不能满足更多的测试需求，且测试时氢耗较大。
申请号为CN202211440088.X的中国发明专利“一种燃料电池电堆气密性检测方法及装置”，利用柔性膨胀气囊阻止气体的流通来实现电堆泄漏点的准确定位，可精确的找到电堆内部存在串漏现象的双极板，提高检测效率。检测过程中所使用的柔性膨胀气囊在实现隔绝气体功能的同时又不会造成电堆内部的损坏，该方法原理简单，易于实现，能有效的降低检测成本。但该技术需要在每次测试时改变气囊位置及大小，检测效率低不适合批量检测。
现有公开的专利中气密性检测方案灵活性差且不能对泄漏部位实现高精度快速诊断。
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用的检漏诊断系统及其控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
作为本发明的第一方面，提供一种燃料电池电堆气密性检测系统，用于检测燃料电池电堆，所述系统包括：
阳极管路，与待测燃料电池电堆的阳极腔体连接，包括阳极管路进气、阳极管路排气和阳极管路流量压力控制；
阴极管路，与待测燃料电池电堆的阴极腔体连接，包括冷却管路进气、冷却管路排气和冷却管路流量压力控制；
冷却管路，与待测燃料电池电堆的冷却腔体连接，包括阴极管路进气、阴极管路排气和阴极管路流量压力控制；
气源，包括多种不同种类气体的气源，多种不同种类气体气源分别与所述阳极管路、阴极管路与冷却管路连接，用于提供多种不同气体组分的测试气体；
CVM巡检，与燃料电池的每片极板连接，用于测试电堆中单电池电压。
进一步的，所述气源的气体种类包括：氢气、空气、氧气、氮气和氦气中的一种或多种。
进一步的，所述阳极管路、阴极管路与冷却管路的流量压力控制包括设置于待测燃料电池电堆入口处的压力传感器和流量计。
进一步的，所述阳极管路、阴极管路及冷却管路进气分别设置包括进气电磁阀，所述进气电磁阀数量与所连接气源的气源种类一致；
所述阳极管路、阴极管路及冷却管路排气分别设置包括排气电磁阀。
进一步的，所述阳极管路、阴极管路与冷却管路的进气连接气源的种类大于等于3。
进一步的，每一种类气体的所述气源都配备设置有电动调压阀。
作为本发明的第二方面，提供一种燃料电池电堆气密性检测方法，所述检测方法采用如上任一所述的检测系统进行检测，具体步骤如下：
S1：将待测燃料电池电堆的阳极腔体、阴极腔体和冷却腔体与相应阳极管路、冷却管路与阴极管路连接，将CVM巡检线固定于电堆的每片双极板上；
S2：打开阳极管路、阴极管路及冷却管路的进气电磁阀，关闭阳极管路、阴极管路及冷却管路的出气电磁阀，向燃料电池电堆的阳极腔、阴极腔和冷却腔内通入气体；
在达到规定值时，关闭阳极管路、阴极管路及冷却管路的进气电磁阀，其中冷却腔的设定压力大于阳极腔、阴极腔；
记录一段内的三腔压力变化，以每腔开始时的压力值P0减结束时的压力值Px的差值ΔP作为判断依据；
S3：打开阳极管路、阴极管路及冷却管路的进与出气电磁阀进行三腔吹扫；
吹扫结束后，关闭阳极管路、阴极管路及冷却管路的出气电磁阀，调节气体压力及流量，使CVM记录的单片电压超过0.85V；
关闭阳极管路与阴极管路的进气电磁阀，记录一段时间内的待测电堆各节电压变化，此时维持冷却腔内气体进入流通，且保持冷却腔内压力大于等于阳极腔及阴极腔内压力；
记录CVM数据，待测电堆中单片电压V快速下降的单电池位置即为阳极腔与阴极腔窜气的位置，以每片单电池初始的电压值V0减测试结束后的电压值V1的差值ΔV作为判据；
S4：重复n次S3，测试过程逐渐降低冷却腔中的气体压力，记录第n次测试结束时的待测电堆中各节电压变化记为ΔVn，其中，每次测试仍需保持冷却腔内压力大于等于阳极腔及阴极腔内压力；若ΔVn减小明显的单片电池则判定对应的阳极腔或阴极腔与冷却水腔间窜漏；
S5：完成S2至S4测试后，判定泄露位置：若S2判定泄露、S3和S4未认定泄露，则诊断为外部管道密封失效；若S2判定未泄露、S3泄露、S4未泄露，则诊断为膜电极损坏发生的阳极腔与阴极腔窜漏；若S2、S3泄露和S4均判定泄露，则诊断为由极板损坏导致的阳极腔、阴极腔与冷却腔间发生窜漏；若S2、S3泄露和S4均判定未泄露，则诊断电堆气密性良好。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明所提供系统可为单腔提供多种气源，能够根据需要选择不同测试气体，提供不同的测试需求。通过调节进气体组分，一方面可以节约测试时的气体成本，另一方面可以提供如氢-氢、氢-氧、氮气吹扫、双氢快速活化等特殊需求。
2)本发明所提供测试方法可实现最快10分钟完成诊断，结合压力变化及CVM巡检数据的检测系统可以更精准的判断泄露点，缩短产品的生产周期及返修成本。
附图说明
图1为本发明燃料电池电堆气密性快速检测系统的结构示意图；
图2为本发明阴极催化剂与质子交换膜界面处氧浓度与时间关系示意图。
附图标号所示：101、氢气调压阀，102、阳极管路流量计，103、阳极管路压力传感器，201、氮气调压阀，202、阴极管路流量计，203、阴极管路压力传感器，301、空气调压阀，302、冷却管路流量计，303、冷却管路压力传感器；HI2、阳极管路氢气进气电磁阀，HI1、阴极管路氢气进气电磁阀，HI3、冷却管路氢气进气电磁阀；NI1、阳极管路氮气进气电磁阀，NI2、阴极管路氮气进气电磁阀，NI3、冷却管路氮气进气电磁阀，AI1、阳极管路空气进气电磁阀，AI2、冷却管路空气进气电磁阀，AI3、阴极管路空气进气电磁阀，HO、阳极管路出气电磁阀，NO、冷却管路出气电磁阀，AO、阴极管路出气电磁阀，CVM、单片电压巡检仪。
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。
实施例1
作为本发明的第一种实施方式，本发明提供一种燃料电池电堆气密性快速检测系统，用于检测燃料电池电堆气密性，包括气源、阳极管路系统、阴极管路系统、冷却管路系统及CVM巡检系统。气源提供满足测试需求的气体，气体可选择氢气、空气、氧气、氮气、氦气中的一种或多种。阳极管路系统连接待测燃料电池电堆的阳极腔体，阴极管路系统连接待测燃料电池电堆的阴极腔体，冷却管路系统连接待测燃料电池电堆的冷却腔体，CVM巡检系统连接燃料电池的每片极板，用于测试电堆中单电池电压。图1展示了一种燃料电池电堆气密性快速检测系统的实施案例。
进一步的，阳极管路系统由阳极管路进气系统、阳极管路排气系统HO、阳极管路流量压力控制(102、103)系统组成；冷却管路系统由冷却管路进气系统、冷却管路排气系统AO、冷却管路流量压力控制系统(202、203)组成；阴极管路系统由阴极管路进气系统、阴极管路排气系统AO、阴极管路流量压力控制系统(302、303)组成。
进一步的，各管路进气系统是由电磁阀组成，其中电磁阀数量与气源种类一致，为满足精准的气密性测试需求，气源种类数应≥3，气体可选择氢气、空气、氧气、氮气、氦气中的一种或多种，每种气体应配备电动调压阀。实施例一中展示的气源由氢气及氢气调压阀、氮气及氮气调压阀、空气及空气调压阀组成。阳极管路进气系统由阳极管路氢气进气电磁阀HI2、阳极管路氮气进气电磁NI1、阳极管路空气进气电磁阀AI1组成；冷却管路进气系统由冷却管路氢气进气电磁阀HI1、冷却管路氮气进气电磁NI2、冷却管路空气进气电磁阀AI3组成；阴极管路进气系统由阴极管路氢气进气电磁阀HI3、阴极管路氮气进气电磁NI3、阴极管路空气进气电磁阀AI2组成。
作为本发明的第二种实施方式，本实施例还提供一种基于上述系统的测试方法，具体步骤如下：
S1：将电堆放置于测试台上，将待测燃料电池电堆的阳极腔体、阴极腔体和冷却腔体与测试台的相应接口连接，将CVM巡检线固定于电堆的每片双极板上，确保测试台可以实时采集到每个单电池的电压；
S2：打开电磁阀NI1、NI2、NI3，关闭电池阀HO、NO、AO向燃料电池电堆的阳极腔、阴极腔和冷却腔内通入氮气，在达到规定值时，关闭电磁阀NI1、NI2、NI3。其中冷却腔的设定压力应大于阳极腔、阴极腔。此时记录一段内的三腔压力变化。以每腔开始时的压力值P0减结束时的压力值Px的差值ΔP作为判断依据。
S3：打开电磁阀HI2、AI2、NI1、NI2、HO、NO、AO在阳极腔路通入氢氮混合气，阴极腔通入空气，冷却腔通入氮气完成三腔吹扫；吹扫结束后，关闭电磁阀HO、NO、AO，调节气体压力及流量，使CVM记录的单片电压超过0.85V以上，关闭电磁阀HI2、AI3，记录一段时间内的待测电堆各节电压变化，此时维持冷却腔内氮气流通，且保持冷却腔内压力大于等于阳极腔及阴极腔内压力；记录CVM数据，待测电堆中单片电压V快速下降的单电池位置即为阳极腔与阴极腔窜气的位置，以每片单电池初始的电压值V0减测试结束后的电压值V1的差值ΔV作为判据。
S4：重复n次S3，测试过程逐渐降低冷却腔中的气体压力。如第一次测试设定氮气压力为PN-p，第n次测试设定氮气压力为PN-np，n≥2，1≤p≤20，记录第n次测试结束时的待测电堆中各节电压变化记为ΔVn。每次测试仍需保持冷却腔内压力大于等于阳极腔及阴极腔内压力。若ΔVn减小明显的单片电池则判定为阳极腔与冷却水腔(阴极腔与冷却水腔)窜漏。
S5：完成S2至S4测试后，则开始由程序判定泄露位置。若S2判定泄露、S3和S4未认定泄露，则诊断为外部管道密封失效；若S2判定未泄露、S3泄露、S4未泄露，则诊断为膜电极损坏发生的阳极腔与阴极腔窜漏；若S2、S3泄露和S4均判定泄露，则诊断为由极板损坏导致的阳极腔、阴极腔与冷却腔间发生窜漏；若S2、S3泄露和S4均判定未泄露，则诊断电堆气密性良好送入下一步工序。
采用上述测试方法相关的仿真结果如图2，S4中设定冷却腔压力为30KPa；阴极腔压力为20KPa，关闭阴极腔进气电磁阀后，若在阴极腔与冷却水腔上存在泄漏点，阴极电化学反应界面上氧气浓度将在5s内降低50％。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种燃料电池电堆气密性检测系统，用于检测燃料电池电堆，其特征在于，所述系统包括：
阳极管路，与待测燃料电池电堆的阳极腔体连接，包括阳极管路进气、阳极管路排气和阳极管路流量压力控制；
阴极管路，与待测燃料电池电堆的阴极腔体连接，包括冷却管路进气、冷却管路排气和冷却管路流量压力控制；
冷却管路，与待测燃料电池电堆的冷却腔体连接，包括阴极管路进气、阴极管路排气和阴极管路流量压力控制；
气源，包括多种不同种类气体的气源，多种不同种类气体气源分别与所述阳极管路、阴极管路与冷却管路连接，用于提供多种不同气体组分的测试气体；
CVM巡检，与燃料电池的每片极板连接，用于测试电堆中单电池电压。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆气密性检测系统，其特征在于，所述气源的气体种类包括：氢气、空气、氧气、氮气和氦气中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆气密性检测系统，其特征在于，所述阳极管路、阴极管路与冷却管路的流量压力控制包括设置于待测燃料电池电堆入口处的压力传感器和流量计。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆气密性检测系统，其特征在于，所述阳极管路、阴极管路及冷却管路进气分别设置包括进气电磁阀，所述进气电磁阀数量与所连接气源的气源种类一致；
所述阳极管路、阴极管路及冷却管路排气分别设置包括排气电磁阀。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆气密性检测系统，其特征在于，所述阳极管路、阴极管路与冷却管路的进气连接气源的种类大于等于3。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆气密性检测系统，其特征在于，每一种类气体的所述气源都配备设置有电动调压阀。
7.一种燃料电池电堆气密性检测方法，其特征在于，所述检测方法采用如权利要求1-6任一所述的检测系统进行检测，具体步骤如下：
S1：将待测燃料电池电堆的阳极腔体、阴极腔体和冷却腔体与相应阳极管路、冷却管路与阴极管路连接，将CVM巡检线固定于电堆的每片双极板上；
S2：打开阳极管路、阴极管路及冷却管路的进气电磁阀，关闭阳极管路、阴极管路及冷却管路的出气电磁阀，向燃料电池电堆的阳极腔、阴极腔和冷却腔内通入气体；
在达到规定值时，关闭阳极管路、阴极管路及冷却管路的进气电磁阀，其中冷却腔的设定压力大于阳极腔、阴极腔；
记录一段内的三腔压力变化，以每腔开始时的压力值P0减结束时的压力值Px的差值ΔP作为判断依据；
S3：打开阳极管路、阴极管路及冷却管路的进与出气电磁阀进行三腔吹扫；
吹扫结束后，关闭阳极管路、阴极管路及冷却管路的出气电磁阀，调节气体压力及流量，使CVM记录的单片电压超过0.85V；
关闭阳极管路与阴极管路的进气电磁阀，记录一段时间内的待测电堆各节电压变化，此时维持冷却腔内气体进入流通，且保持冷却腔内压力大于等于阳极腔及阴极腔内压力；
记录CVM数据，待测电堆中单片电压V快速下降的单电池位置即为阳极腔与阴极腔窜气的位置，以每片单电池初始的电压值V0减测试结束后的电压值V1的差值ΔV作为判据；
S4：重复n次S3，测试过程逐渐降低冷却腔中的气体压力，记录第n次测试结束时的待测电堆中各节电压变化记为ΔVn，其中，每次测试仍需保持冷却腔内压力大于等于阳极腔及阴极腔内压力；若ΔVn减小明显的单片电池则判定对应的阳极腔或阴极腔与冷却水腔间窜漏；
S5：完成S2至S4测试后，判定泄露位置：若S2判定泄露、S3和S4未认定泄露，则诊断为外部管道密封失效；若S2判定未泄露、S3泄露、S4未泄露，则诊断为膜电极损坏发生的阳极腔与阴极腔窜漏；若S2、S3泄露和S4均判定泄露，则诊断为由极板损坏导致的阳极腔、阴极腔与冷却腔间发生窜漏；若S2、S3泄露和S4均判定未泄露，则诊断电堆气密性良好。
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