CN116706152A - 一种燃料电池电堆的气体窜漏检测方法 - Google Patents

一种燃料电池电堆的气体窜漏检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池电堆的气体窜漏检测方法，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术无法精准定位泄漏节数和解决气密性检测设备成本过高的问题。该方法包括：S1.在试制电堆压装过程中，将单体电池按照N片每组堆叠压装，获得多组电堆组模，均作为待测试目标；S2.对每一待测试目标进行绝缘性检测；S3.在燃料电池半开机条件下执行该待测试目标的电化学气密性检漏测试；S4.在燃料电池运行条件下再次执行该待测试目标的电化学气密性检漏测试；S5.在燃料电池空载条件下执行电堆模组的停机吹扫和关机，筛选出单体电池无气体串漏的半成品电堆组模进行堆叠压装，最终获得成品电堆。该方法在试制过程中出现问题能够及时排除，节省大量反复堆叠时间。

Description

一种燃料电池电堆的气体窜漏检测方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池电堆的气体窜漏检测方法。
背景技术
燃料电池是一种清洁的新型能量转换装置。在燃料电池的运行过程中，影响其可靠性的关键失效模式是高气压承载件密封失效外漏。在一个电堆内部存在几十至上千个电池密封单元，任一密封单元失效都会导致燃料电池故障。快速精准定位窜漏，进行故障节数更换，是目前行业内丞需解决的关键问题。
现有技术对电堆气密性的测试，大都是通过压降法或流量法进行气密性检测。中国专利CN218444350U提供的电堆气密性检测系统，通过不同量程的流量计串并联配合进排气阀组件测试稳定条件下的气体泄漏量。但该气密检定方法无法精确定位泄漏节数，若想精确定位需要将电堆整体浸入水体，该操作会导致电堆无法正常工作。中国专利CN215988866U提供的电堆气密性检定装置，将电堆封闭于一密闭恒温(40℃)、内部充满荧光或者有色气体的操作箱体内部，在电堆附近位置的前、后、上、下、左、右均匀布置能够识别每节电堆密封状况的远红外热成像仪。该方案能够进行定性和定量检测电池泄漏位置和泄漏量，但其对使用环境和设备操作要求较高，操作过程太过复杂，设备成本较大，不适宜批量化检定。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种燃料电池电堆的气体窜漏检测方法，用以解决现有技术无法精准定位泄漏节数和解决气密性检测设备成本过高的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池电堆的气体窜漏检测方法，包括如下步骤：
S1.在试制电堆压装过程中，将燃料电池单体电池按照N片每组进行堆叠压装，获得多组半成品电堆组模，均作为待测试目标；
S2.对每一待测试目标进行绝缘性检测，检测合格后，执行下一步；
S3.在燃料电池半开机条件下执行该待测试目标的电化学气密性检漏测试，确定燃料电池半开机条件下发生气体串漏的单体电池的节数；
S4.在燃料电池运行条件下再次执行该待测试目标的电化学气密性检漏测试，获得燃料电池运行条件下发生气体串漏的单体电池的节数；
S5.在燃料电池空载条件下执行电堆模组的停机吹扫和关机，筛选出单体电池无气体串漏的半成品电堆组模进行堆叠压装，获得成品电堆。
上述技术方案的有益效果如下：利用电化学方法判定电堆组成单元(半成品电堆组模)的泄漏位置。新研发电堆试制过程中，进行气密问题快速定位，精准反馈泄漏位置及泄漏量。通过直观的单节电压变化识别窜漏节次，能够非常精准快速地解决生产测试过程中的问题，提升安全操作的前提下，提升了工作效率，为发动机批量化生产制造检测提供强大技术支撑。批量生产交付过程中，通过初步堆叠压装后即可以完成气密性检测，出现问题能够及时排除，节省大量反复堆叠时间。该检定过程对电堆外部无附带影响，应用成本较低，无附带其他问题。极大降低操作工人劳动量，出现泄漏的情况下，能够通过该方法第一时间锁定问题，更换问题电池后，进行校准和确认最终电堆的气密性状态。
基于上述方法的进一步改进，该气体窜漏检测方法还包括如下步骤：
S6.针对单体电池发生气体串漏的各半成品电堆组模进行重装整改，获得新的半成品电堆组模，再次执行步骤S2～S5。
进一步，步骤S2进一步包括：
S21.将待测试目标的供电输出端正负极接外部金属部件；
S22.对待测试目标进行干态绝缘检测和湿态绝缘检测，如果干态绝缘检测结果和湿态绝缘检测结果均合格，则执行下一步，否则，重新执行步骤S1。
进一步，对于每一待测试目标，步骤S3进一步包括：
S31.将待测试目标的流体接口、电气接口分别接燃料电池测试台架；
S32.控制燃料电池处于开路状态，给定待测试目标一定量的燃料气，气体压力控制在10～60kPa.g，持续进行燃料气吹扫，并在待测试目标内部通入燃料气后，对待测试目标的空气侧也通入一定量的氧化剂气体；
S33.在通气过程中监测待测试目标的开路电压，识别该开路电压提升至设定值后关闭待测试目标的空气侧氧化剂气体供给，阳极测继续通入30～60kPa.g的燃料气；
S34.在空气侧氧化剂气体供给关闭后，识别是否存在某节单体电池电压迅速降低，如果是，判定该节单体电池发生气体串漏，确定燃料电池半开机条件下发生气体串漏的单体电池的节数，否则，判定该待测试目标为单体电池无气体串漏的半成品电堆组模。
进一步，步骤S34进一步通过如下子步骤识别是否存在某节单体电池电压迅速降低的功能：
S341.在空气侧气体供给关闭后，通过单片电池巡检装置识别是否存在某节单体电池电压是否在规定时间内迅速降低至0.3V以下，如果是，判定发生该节单体电池电压迅速降低的事件，否则，判定未发生某节单体电池电压迅速降低的事件。
进一步，对于每一待测试目标，步骤S4进一步包括：
S41.控制待测试目标执行给定输出电压、输出电流、电堆负载的工况运行；
S42.在运行过程中再次执行该待测试目标的电化学气密性检漏测试，即通过单片电池巡检装置识别是否存在某节单体电池电压是否在规定时间内迅速降低，如果是，判定该节单体电池发生气体串漏，确定燃料电池运行条件下发生气体串漏的单体电池的节数，否则，判定该待测试目标为单体电池无气体串漏的半成品电堆组模。
进一步，步骤S5进一步通过组合定位方式将多组单体电池无气体串漏的半成品电堆组模进行堆叠压装，获得成品电堆，以保证电堆内部的一致性。
进一步，步骤S1中还包括：在堆叠压装后，检测每一待测试目标的物理参数，包括尺寸、体积、质量，确保所有待测试目标的物理参数一致。
进一步，每组半成品电堆组模包括50～100片燃料电池单体电池。
进一步，所述燃料气为氢气或氢氮混合气；并且
所述氧化剂气体为空气或空气-惰性气体混合气。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了实施例1气体窜漏检测方法的步骤示意图；
图2示出了实施例1气体窜漏检测方法的执行流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
实施例1
本发明的一个实施例，公开了一种燃料电池电堆的气体窜漏检测方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1.在试制电堆压装过程中，将燃料电池单体电池按照N片每组进行堆叠压装，获得多组半成品电堆组模，均作为待测试目标；
S2.对每一待测试目标进行绝缘性检测，检测合格后，执行下一步；
可选地，绝缘性检测除了实施例2所述方法外，还可采用中国专利CN108390084B、CN202310320549.8所记载的绝缘性检测方法，此处可不限定；
S3.在燃料电池半开机条件下执行该待测试目标的电化学气密性检漏测试，确定燃料电池半开机条件下发生气体串漏的单体电池的节数；
具体地，燃料电池半开机条件指的是燃料电池(待测试目标)处于开路无负载状态，并在开路电压达到设定值后关闭氧化剂气体供给，直到电堆内部燃料气将氧化剂气体耗光；
S4.在燃料电池运行条件下再次执行该待测试目标的电化学气密性检漏测试，获得燃料电池运行条件下发生气体串漏的单体电池的节数；
具体地，燃料电池运行条件指的是控制燃料电池执行给定输出电压、输出电流、电堆负载的工况运行；
S5.在燃料电池空载条件下执行电堆模组的停机吹扫和关机，筛选出步骤S3、S4中所有单体电池无气体串漏的半成品电堆组模进行堆叠压装，获得成品电堆。
实施时，该方法的气密检定过程如图2所示。堆叠压装在线监测电堆压装气密性，快速进行泄漏节数定位及泄漏量标定：在试制电堆压装过程中，为了提升整体压装效率，将电堆按照N片每组进行预装气密检定，形成多组半成品电堆组模；在成品电堆堆叠压装过程中，通过多种定位组合的方式，进行半成品电堆组模向成品电堆组合；以上环节均通过堆叠压装在线监测技术，实现电堆漏量定位和漏量参数标定。
与现有技术相比，本实施例提供的气体窜漏检测方法利用电化学方法判定电堆组成单元(半成品电堆组模)的泄漏位置。新研发电堆试制过程中，进行气密问题快速定位，精准反馈泄漏位置及泄漏量。通过直观的单节电压变化识别窜漏节次，能够非常精准快速地解决生产测试过程中的问题，提升安全操作的前提下，提升了工作效率，为发动机批量化生产制造检测提供强大技术支撑。批量生产交付过程中，通过初步堆叠压装后即可以完成气密性检测，出现问题能够及时排除，节省大量反复堆叠时间。该检定过程对电堆外部无附带影响，应用成本较低，无附带其他问题。极大降低操作工人劳动量，出现泄漏的情况下，能够通过该方法第一时间锁定问题，更换问题电池后，进行校准和确认最终电堆的气密性状态。
实施例2
在实施例1的基础上进行改进，该气体窜漏检测方法还包括如下步骤：
S6.针对单体电池发生气体串漏的各半成品电堆组模进行重装整改，获得新的半成品电堆组模，再次执行步骤S2～S5。
优选地，步骤S1中还包括：在堆叠压装后，检测每一待测试目标的物理参数，包括尺寸(包括但不限于压装前的双极板及膜电极的尺寸和质量测量、压装前单节电池的密封圈高度一致性测量、堆叠不同节数的电堆自由高度测量、最终的堆叠高度测量、达到预设压装力的电堆总体高度测量、密封圈压装后的高度测量、压力压装实施过程中的运行尺寸测量)、体积、质量，确保所有待测试目标的物理参数一致。对于大功率多节电堆压装堆叠，按照电堆的预设压装力和预设尺寸进行电堆的堆叠压装，堆叠过程采用多种定位方式进行电堆堆叠一致性提升，确保电堆单节堆叠一致性得到有效提升，完成电堆的堆叠和压装。
优选地，步骤S2进一步包括：
S21.将待测试目标的供电输出端正负极接外部金属部件；
S22.对待测试目标进行干态绝缘检测和湿态绝缘检测，如果干态绝缘检测结果和湿态绝缘检测结果均合格，则执行下一步，否则，重新执行步骤S1。
步骤S2处于安全性考虑，进行电堆的干态绝缘性测量和湿态绝缘性测量，测量方式为电堆正负极对电堆金属短板或外部壳体。
步骤S3在电堆压装后，为了确定电堆性能测试前的气密性状态，进行待测试目标的流体接口、电气接口与燃料电池测试装置连接，仅仅进行氢气管路的连接(氢气进气口和空气进气口与气源连接)、巡检连接(CVM与数据采集控制器连接)，该操作能够确认电堆内部可以进入氢气，建立起的电压值能够被巡检迅速采集得到正向反馈。
优选地，对于每一待测试目标，步骤S3进一步包括：
S31.将待测试目标的流体接口、电气接口分别接燃料电池测试台架；
S32.控制燃料电池处于开路状态，给定待测试目标一定量的燃料气，气体压力控制在10～60kPa.g，持续进行燃料气吹扫，并在待测试目标内部通入燃料气后，对待测试目标的空气侧也通入一定量的氧化剂气体；待测试目标在建立电压的同时在不断耗氧，整堆电压迅速建立并提升；
S32.在通气过程中监测待测试目标的开路电压，识别该开路电压提升至设定值(0.85V以上)后关闭待测试目标的空气侧氧化剂气体供给，阳极测继续通入30～60kPa.g的燃料气，以将待测试目标内部氢气将氧气耗光；
S34.在空气侧氧化剂气体供给关闭后，识别是否存在某节单体电池电压迅速降低，如果是，判定该节单体电池发生气体串漏，确定燃料电池半开机条件下发生气体串漏的单体电池的节数，否则，判定该待测试目标为单体电池无气体串漏的半成品电堆组模。
空气首先耗尽氢气窜漏至阴极，阴极氧浓度降低氢浓度上升，电压迅速降低，从巡检检测端直接判定该节电池存在一定的泄漏。
优选地，步骤S34进一步通过如下子步骤识别是否存在某节单体电池电压迅速降低的功能：
S341.在空气侧气体供给关闭后，通过单片电池巡检装置识别是否存在某节单体电池电压是否在规定时间内迅速降低至0.3V以下，如果是，判定发生该节单体电池电压迅速降低的事件，否则，判定未发生某节单体电池电压迅速降低的事件。
优选地，步骤S341还包括：获取发生该节单体电池电压迅速降低的事件的待测试目标中的该单体电池电压降低至0.3V的时间，根据该时间可进一步确定泄漏量。
优选地，对于每一待测试目标，步骤S4进一步包括：
S41.控制待测试目标执行给定输出电压、输出电流、电堆负载的工况运行；
S42.在运行过程中再次执行该待测试目标的电化学气密性检漏测试，即通过单片电池巡检装置识别是否存在某节单体电池电压是否在规定时间内迅速降低，如果是，判定该节单体电池发生气体串漏，确定燃料电池运行条件下发生气体串漏的单体电池的节数，否则，判定该待测试目标为单体电池无气体串漏的半成品电堆组模。
步骤S4作为步骤S3的补充验证，为了进一步判定前面操作的结论，进一步的给定电压、电流、负载运行，运行过程中关注前期判定的单节气密性，可以进一步明确该方法的准确性。
测定结果完成即可进行步骤S5的停机吹扫和关机，针对故障节数进行电堆重装整改。
优选地，步骤S5进一步通过组合定位方式将多组单体电池无气体串漏的半成品电堆组模进行堆叠压装，获得成品电堆，以保证电堆内部的一致性。
优选地，每组半成品电堆组模包括50～100片燃料电池单体电池。
优选地，所述燃料气为氢气或氢氮混合气，并且，所述氧化剂气体为空气或空气-惰性气体混合气。
优选地，以上测试和验证过程中，为了更加快捷实现测试和验证，电堆端板流体接口便捷设计为块状卡套式，能够快速进行测试设备连接和拆装。出于闭环验证考虑，同步进行电堆的气密性检测，进一步验证该方法的准确性。
与现有技术相比，本实施例提供的燃料电池电堆的气体窜漏检测方法具有如下有益效果：
1、新研发电堆试制过程中，进行气密问题快速定位，进准反馈泄漏位置及泄漏量。
2、检定结果能够数据化显示传输和记录，便于后期发动机气密问题进行追溯。
3、极大降低操作工人劳动量，出现泄漏的情况下，能够通过该方法及装置第一时间锁定问题，更换问题电池节后，进行校准和确认最终电堆的气密性状态。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆的气体窜漏检测方法，其特征在于，包括步骤：
S1.在试制电堆压装过程中，将燃料电池单体电池按照N片每组进行堆叠压装，获得多组半成品电堆组模，均作为待测试目标；
S2.对每一待测试目标进行绝缘性检测，检测合格后，执行下一步；
S3.在燃料电池半开机条件下执行该待测试目标的电化学气密性检漏测试，确定燃料电池半开机条件下发生气体串漏的单体电池的节数；
S4.在燃料电池运行条件下再次执行该待测试目标的电化学气密性检漏测试，获得燃料电池运行条件下发生气体串漏的单体电池的节数；
S5.在燃料电池空载条件下执行电堆模组的停机吹扫和关机，筛选出单体电池无气体串漏的半成品电堆组模进行堆叠压装，获得成品电堆。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的气体窜漏检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S6.针对单体电池发生气体串漏的各半成品电堆组模进行重装整改，获得新的半成品电堆组模，再次执行步骤S2～S5。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池电堆的气体窜漏检测方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：
S21.将待测试目标的供电输出端正负极接外部金属部件；
S22.对待测试目标进行干态绝缘检测和湿态绝缘检测，如果干态绝缘检测结果和湿态绝缘检测结果均合格，则执行下一步，否则，重新执行步骤S1。
4.根据权利要求3所述的燃料电池电堆的气体窜漏检测方法，其特征在于，对于每一待测试目标，步骤S3进一步包括：
S31.将待测试目标的流体接口、电气接口分别接燃料电池测试台架；
S32.控制燃料电池处于开路状态，给定待测试目标一定量的燃料气，气体压力控制在10～60kPa.g，持续进行燃料气吹扫，并在待测试目标内部通入燃料气后，对待测试目标的空气侧也通入一定量的氧化剂气体；
S33.在通气过程中监测待测试目标的开路电压，识别该开路电压提升至设定值后关闭待测试目标的空气侧氧化剂气体供给，阳极测继续通入30～60kPa.g的燃料气；
S34.在空气侧氧化剂气体供给关闭后，识别是否存在某节单体电池电压迅速降低，如果是，判定该节单体电池发生气体串漏，确定燃料电池半开机条件下发生气体串漏的单体电池的节数，否则，判定该待测试目标为单体电池无气体串漏的半成品电堆组模。
5.根据权利要求4所述的燃料电池电堆的气体窜漏检测方法，其特征在于，步骤S34进一步通过如下子步骤识别是否存在某节单体电池电压迅速降低的功能：
S341.在空气侧气体供给关闭后，通过单片电池巡检装置识别是否存在某节单体电池电压是否在规定时间内迅速降低至0.3V以下，如果是，判定发生该节单体电池电压迅速降低的事件，否则，判定未发生某节单体电池电压迅速降低的事件。
6.根据权利要求1、2、4、5任一项所述的燃料电池电堆的气体窜漏检测方法，其特征在于，对于每一待测试目标，步骤S4进一步包括：
S41.控制待测试目标执行给定输出电压、输出电流、电堆负载的工况运行；
S42.在运行过程中再次执行该待测试目标的电化学气密性检漏测试，即通过单片电池巡检装置识别是否存在某节单体电池电压是否在规定时间内迅速降低，如果是，判定该节单体电池发生气体串漏，确定燃料电池运行条件下发生气体串漏的单体电池的节数，否则，判定该待测试目标为单体电池无气体串漏的半成品电堆组模。
7.根据权利要求1、2、4、5任一项所述的燃料电池电堆的气体窜漏检测方法，其特征在于，步骤S5进一步通过组合定位方式将多组单体电池无气体串漏的半成品电堆组模进行堆叠压装，获得成品电堆，以保证电堆内部的一致性。
8.根据权利要求7所述的燃料电池电堆的气体窜漏检测方法，其特征在于，步骤S1中还包括：在堆叠压装后，检测每一待测试目标的物理参数，包括尺寸、体积、质量，确保所有待测试目标的物理参数一致。
9.根据权利要求8所述的燃料电池电堆的气体窜漏检测方法，其特征在于，每组半成品电堆组模包括50～100片燃料电池单体电池。
10.根据权利要求9所述的燃料电池电堆的气体窜漏检测方法，其特征在于，所述燃料气为氢气或氢氮混合气；并且
所述氧化剂气体为空气或空气-惰性气体混合气。
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