CN117169088B - 一种高压氢渗透连续监测装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

一种高压氢渗透连续监测装置及其测试方法，其属于高压氢渗透性能测试的技术领域。它包括氢气增压系统、惰性气体运氢系统、氢气含量分析系统、氢计量釜和氢渗透模块；氢渗透模块中配合中间带微孔的支撑片共同使用，确保氢气能渗透经过，且保护好测试片在高压环境下不被损坏。引入惰性气体运氢系统和高灵敏度氢气分析仪，实时采集渗透后气体总流量及其中氢气含量，实现氢渗透率的快速、准确监测，同时利用氢计量釜数字压力计的压力变化进行辅助验证，检验排除氢渗透装置密闭不严或计量仪表运行不佳造成的影响，进一步提升氢渗透率数据的可靠性，从而实现该装置在较宽渗透率范围，尤其是低渗透率条件下的测试数据的高准确度。

Description

一种高压氢渗透连续监测装置及其测试方法

技术领域

本申请涉及一种高压氢渗透连续监测装置及测试方法，主要用于测量材料在高压氢环境下的氢渗透性能。

背景技术

随着氢能源的发展，高压氢的储存和运输成为制约氢能源应用的瓶颈之一，高压氢储运材料和技术的研究变得越来越重要。高分子材料直接用作储氢气瓶内衬、管道或者作为金属储运设备的涂层，在高压氢储运的应用价值逐渐凸显。了解高分子复合材料在高压氢环境下的氢渗透性能对于材料选择和设计具有关键意义。

目前存在的氢渗透测试装置大多是通过电化学充氢的方法测试，主要用于金属材料，难以准确测得高分子材料（包括高分子涂层）的氢渗透量；压差法多用于测试常压下渗透系数较大的高分子材料的氢渗透性能，氢渗透系数低的高分子材料难以准确测量，在高压条件下进行较宽渗透率范围，尤其低渗透率测试，仍然面临极大挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对目前存在的氢渗透测试装置大多采用电化学充氢方法，不能完全反映实际工况下的氢渗透行为；而且，测试装置无法在高压氢气条件下进行较宽渗透率范围，尤其低渗透率进行氢渗透测试。

为解决上述存在的问题，本发明提供如下解决方案：

一种高压氢渗透连续监测装置，它包括氢气增压系统、惰性气体运氢系统、氢气含量分析系统、氢计量釜和氢渗透模块；

所述氢气增压系统中供氢系统经过氢气减压阀、氢气阀连接至氢计量釜釜体的进气口上；

所述惰性气体运氢系统中惰性气瓶经惰气减压阀、惰气阀、流量控制器连接至三通的第一孔道；经三通的第二个孔道连接至氢气含量分析系统，氢气含量分析系统包括氢气分析仪和气体流量计；氢计量釜釜体上测试口经氢渗透模块后连接至三通的第三孔道；

所述氢渗透模块采用螺栓固定连接的氢渗透模块上盖和氢渗透模块下盖，氢渗透模块上盖和氢渗透模块下盖之间设置测试片，测试片上方依次设置微孔支撑片、支撑片，经过集气腔后由模块出气口连通出气管路；测试片下方设置进气腔，由模块进气口连通进气管路。

所述氢渗透模块的支撑片上设置用于透气的支撑片通孔，支撑片上方构成集气腔，集气腔壁与支撑片为一体式，微孔支撑片设置在集气腔壁的圆环内支撑片的下方。

所述氢计量釜的抽换气口依次连接数字压力计和截止阀。

所述氢计量釜的釜盖上设置安全阀。

所述氢渗透模块上盖和氢渗透模块下盖之间设置密封圈。

所述测试片与氢渗透模块下盖之间设置密封垫。

该装置还设有温度控制模块，用于调控氢计量釜和氢渗透模块的温度。

所述测试方法包括固定容积测试模式和恒定压力测试模式：

所述固定容积测试模式，包括以下步骤：

a.惰性气体运氢：依次打开惰气减压阀、惰气阀，由流量控制器控制惰性气瓶的惰性气体的流量；

b.氢气增压：依次打开氢气减压阀和氢气阀，将供氢系统中的氢气由进气口充入到氢计量釜中，氢计量釜中压力达到设定压力后，关闭氢气阀；

c.氢渗透及检测：氢计量釜中的氢气由模块进气口进入到进气腔中，氢气经测试片渗透后依次经过微孔支撑片和支撑片后进入到集气腔，再经过模块出气口和管路后氢气到达三通；

渗透出的氢气与惰性气体运氢系统中的惰性气体在三通处混合后，一起进入到氢气分析仪和气体流量计中；

通过氢计量釜的压差变化得到氢渗透率；同时根据氢气含量分析系统实测的气体总流量乘以氢气含量来累积计算，然后除以时间，由浓度法得到氢渗透率；

所述恒定压力测试模式，包括以下步骤：

a.惰性气体运氢：依次打开惰气减压阀、惰气阀，由流量控制器控制惰性气瓶的惰性气体的流量；

b.氢气增压：依次打开氢气减压阀和氢气阀，将供氢系统中的氢气由进气口充入到氢计量釜中，一直保持氢气阀开启，使得氢计量釜中压力始终维持在设定压力；

c.氢渗透及检测：氢计量釜中的氢气由模块进气口进入到进气腔中，氢气经测试片渗透后依次经过微孔支撑片和支撑片后进入到集气腔，再经过模块出气口和管路后氢气到达三通；

渗透出的氢气与惰性气体运氢系统中的惰性气体在三通处混合后，一起进入到氢气分析仪和气体流量计中；

根据氢气含量分析系统实测的气体总流量乘以氢气含量来累积计算，除以相应时间，即得测试片的氢气渗透速率。

与现有技术相比，本发明提供了一种高压氢渗透连续监测装置及其测试方法，具备以下有益效果：

1、该高压氢渗透连续监测装置，引入带有特定微孔的支撑片实现高压环境下样品氢气渗透率的测定，适用于测试各种不锈钢或聚合物材料在高压氢气中的氢渗透性能，装置简单、操作易行。根据工作需要，采用氢气瓶和/或氢气增压泵作为供氢系统进行供气。

2、设计引入惰性气体运氢系统，将渗透后的少量或微量氢气快速带至高灵敏的氢气分析仪，快速、实时、准确的检测出氢气浓度，进而获得氢气渗透量，实现该装置在较宽氢渗透率范围，尤其是低渗透率条件下的测试数据的高准确度。相比压差法测试时间长、低浓度时准确度差，浓度法可以连续实时、快速测量少量或微量氢气渗透，能够实现在较宽氢渗透率范围，尤其是低渗透率条件下的测试数据的高准确度。

3、借助采集氢计量釜数字压力计的压力变化和渗透后气体总流量及其中氢气含量的实时监测结果，同时实现压差法和浓度法同步监测氢渗透速率，并可以相互验证，排除装置因漏气或其他计量仪表原因等造成的可能影响，进一步提升装置的准确性。

4、引入氢计量釜，可储存固定体积（如：30-200 mL）的氢气，并设有安全阀，一旦测试过程中出现氢气泄露，可以快速、有效应对，安全性大幅提高。

本发明提供了一种高压氢渗透测试装置及测试方法，通过该装置及测试方法可以准确测量材料在高压氢环境下的氢渗透性能。该装置具有高压、操作简便、准确度高、安全高效的特点，适用于各种材料的氢渗透性能测试。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1为一种高压氢渗透连续监测装置的结构示意图。

图2为氢渗透模块的结构示意图。

图中：1、氢计量釜釜体，2、釜盖，3、进气口，4、抽换气口，5、测试口，6、安全阀，7、氢渗透模块，7a、氢渗透模块上盖，7b、氢渗透模块下盖，7c、测试片，7d、微孔支撑片，7e、支撑片，7f、支撑片通孔，7g、模块进气口，7h、模块出气口，7i、进气腔，7j、集气腔，7k、密封圈，7l、密封垫，7m、螺栓孔，8、供氢系统，9、氢气减压阀，10、氢气阀，11、惰性气瓶，12、惰气减压阀，13、惰气阀，14、流量控制器，15、三通，16、氢气分析仪，17、气体流量计，18、数字压力计，19、截止阀，20、温度控制模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种高压氢渗透连续监测装置，包含氢气增压系统、氢计量釜、氢渗透模块、惰性气体运氢系统、氢气含量分析系统、温度控制模块等。

氢气增压系统包括供氢系统8、氢气减压阀9、氢气阀10及气路等。供氢系统8用于提供测试所需的高压氢气体，1 ~ 70 MPa。可根据工作需要，采用氢气瓶和/或氢气增压泵为供氢系统进行供气。

氢计量釜包含氢计量釜釜体1、釜盖2、进气口3、抽换气口4、测试口5、安全阀6。氢计量釜用于接收固定体积（30 ~ 200 mL）、不同压力（1 ~ 70 MPa）下的待测氢气，釜内压力由抽换气口上的数字压力计18来测定；氢气渗透实验开始后，可根据釜内压力变化初步估算氢气渗透速率，并以此评估判断该装置测试时是否漏气。测试时，可通过关闭氢气阀10来选择固定容积测试模式，也可保持氢气减压阀9、氢气阀10开启选择恒定压力测试模式。安全阀6，用于确保氢计量釜的本质安全，一旦压力失控，可以安全泄压。

氢渗透模块7在氢计量釜釜盖2的正上方，与氢计量釜的测试口5连通，该模块采用螺栓固定连接的氢渗透模块上盖7a和氢渗透模块下盖7b，氢渗透模块上盖7a和氢渗透模块下盖7b之间设置测试片7c，测试片7c上方依次设置微孔支撑片7d、支撑片7e，经过集气腔7j后由模块出气口7h连通出气管路；测试片7c上方设置进气腔7i，由模块进气口7g连通进气管路。该模块与氢计量釜的测试口连通，可选择放置一定规格的圆形测试片，测试片下部分采用固定尺寸的硬质聚四氟密封垫，配合中间带微孔的支撑片共同使用，确保每次氢气渗透经过的截面积均相同，且保护好测试片在高压环境下不被损坏。圆形测试片的尺寸为10~ 30 mm，密封垫宽度为5 ~ 8 mm，支撑片的大小比测试片略小。

惰性气体运氢系统，安装在氢渗透模块之后，采用惰气减压阀12、惰气阀13以及流量控制器14等来精确调控惰性气体的气速，通过内径3 mm或其他2mm或1mm等更细的不锈钢管，并在三通15处与氢计量釜渗透出的氢气汇合，将渗透出的氢气快速运输至氢气分析仪16中进行定量分析；如果测试的氢气浓度不在分析仪器的测试量程范围内，可通过增大或减小惰性气体的气速来调小或调大氢气的浓度至可测量程内。

氢气含量分析系统，包括氢气分析仪16和气体流量计17。氢气分析仪可采用高灵敏度分析仪（量程0 ~ 1000 ppm）或气相色谱（一般是50 ppm以上更准确）来分析检测，实现氢气含量的及时、准确定量分析。渗透率较高时可以选择后置的气相色谱定量分析，渗透率较低时采用高灵敏分析仪，从而实现该装置在较宽渗透率范围，尤其是低渗透率条件下的测试数据的高准确度。气体流量计安装在氢气分析仪之后，通过气体流量计实时检测惰性气体和渗透出的氢气的流量之和，实现氢渗透量的计算。同时，利用氢计量釜数字压力计的压力变化进行辅助验证，检验排除氢渗透装置密闭不严或计量仪表运行不佳造成的影响，进一步提升氢渗透率数据的可靠性。

温度控制模块，采用水浴或循环制冷装置调控氢计量釜和氢渗透模块的温度，并分析不同温度下的氢气渗透反应速率。

一种高压氢渗透连续监测装置的测试方法，主要步骤如下：

步骤一：可选择固定容积测试模式，关闭氢气阀10，通过氢计量釜的压差变化，以及根据氢气含量分析系统实测的气体总流量乘以氢气含量来累积计算，然后除以时间，即可实现压差法和浓度法同时、同步测试待测样品的氢气渗透速率。

步骤二：可选择恒定压力测试模式，保持氢气减压阀9、氢气阀10开启。根据氢气含量分析系统后实测的气体总流量乘以氢气含量来累积计算，除以相应时间，即得待测样品的氢气渗透速率。

步骤三：可选择固定容积或恒定压力测试模式，调控需要的测试温度。根据氢气含量分析系统后实测的气体总流量乘以氢气含量来累积计算，除以相应时间，即得待测样品在高温时的氢气渗透速率。

实施例2

请参阅说明书附图1和图2，本发明提供了一种高压氢渗透连续监测装置,氢气增压系统中供氢系统8经过氢气减压阀9、氢气阀10连接至氢计量釜釜体1的进气口3上；惰性气体运氢系统中惰性气瓶11经惰气减压阀12、惰气阀13、流量控制器14连接至三通15的第一孔道；经三通15的第二个孔道连接至氢气含量分析系统，氢气含量分析系统包括氢气分析仪16和气体流量计17；氢计量釜釜体1上测试口5经氢渗透模块7后连接至三通15的第三孔道。

使用该装置前，打开截止阀19，并打开氢气减压阀9、氢气阀10等，预先吹扫釜中空气待一段时间，直到空气吹扫完全，加热到待测温度，然后开始充氢气至待测压力。

固定容积测试模式：

a.惰性气体运氢：

设计选用直径3mm以下的不锈钢管等用以运送氢气，减少从氢渗透模块出气口至氢气分析仪间的死体积，提高氢气分析仪的响应时间和响应浓度。

依次打开惰气减压阀12、惰气阀13，由流量控制器14控制惰性气瓶11的惰性气体的流量；

b.氢气增压：

依次打开氢气减压阀9和氢气阀10，将供氢系统8中的氢气由进气口3充入到氢计量釜中，氢计量釜中压力达到11 MPa后，关闭氢气阀10；

c.氢渗透及检测：

氢计量釜中的氢气经过氢渗透模块7，具体为氢气由模块进气口7g进入到进气腔7i中，氢气经测试片7c渗透后依次经过微孔支撑片7d和支撑片7e后进入到集气腔7j，再经过模块出气口7h和管路后氢气到达三通15；

渗透出的氢气与惰性气体运氢系统中的惰性气体在三通15处混合后，一起进入到氢气分析仪16和气体流量计17中；通过氢计量釜的压差变化，同时根据氢气含量分析系统实测的气体总流量乘以氢气含量来累积计算，然后除以时间，得到固定容积测试模式下待测样品的氢气渗透速率。

恒定压力测试模式：

a.惰性气体运氢：

依次打开惰气减压阀12、惰气阀13，由流量控制器14控制惰性气瓶11的惰性气体的流量；

b.氢气增压：

依次打开氢气减压阀9和氢气阀10，将供氢系统8中的氢气由进气口3充入到氢计量釜中，一直保持氢气阀10开启，使得氢计量釜中压力始终维持在11 MPa；

c.氢渗透及检测：

氢计量釜中的氢气经过氢渗透模块7，具体为氢气由模块进气口7g进入到进气腔7i中，氢气经测试片7c渗透后依次经过微孔支撑片7d和支撑片7e后进入到集气腔7j，再经过模块出气口7h和管路后氢气到达三通15；

渗透出的氢气与惰性气体运氢系统中的惰性气体在三通15处混合后，一起进入到氢气分析仪16和气体流量计17中；根据氢气含量分析系统后实测的气体总流量乘以氢气含量来累积计算，除以相应时间，即得待测样品的氢气渗透速率。

若需检测待测样品在高温下的渗透率，通过温度控制模块控制氢计量釜和氢渗透模块的温度，再进行测试即得待测样品在高温时的氢气渗透速率。

实施例3

根据本发明的该实施例，提供了一种低渗透率材料的氢渗透连续测试方法。

氢计量釜包含50 mL氢计量釜釜体1、釜盖2、进气口3、抽换气口4、测试口5、安全阀6；氢渗透模块7在氢计量釜釜盖2的正上方，与氢计量釜的测试口5 （管路外径8 mm，内径3mm）连通，该模块从下往上依次为氢渗透模块下盖及模块进气口7g（管路外径8 mm，内径3mm）、密封垫7l（聚四氟乙烯材质，密封垫）、测试片7c（圆形，直径30 mm）、微孔支撑片7d和支撑片7e（圆形，直径25 mm）、密封圈7k（圆形，直径30 mm）、氢渗透模块上盖7a及其固定螺帽6个。

如图1所示，打开截止阀19，依次打开氢气减压阀9和氢气阀10，将供氢系统8中的氢气由进气口3充入到氢计量釜中，预先吹扫釜中空气20 min，直到空气吹扫完全，加热到待测温度30度，然后关闭截止阀19，氢计量釜中压力达到1 MPa后，关闭氢气阀10，开启固定容积模式。

依次打开惰气减压阀12、惰气阀13，由流量控制器14控制惰性气瓶11的惰性气体的流量，设置气速：1.0 mL/min。然后，开始计时，同时连续记录氢气分析仪16和气体流量计17的示数（0.17 ppm， 1.0 mL/min），并每隔3小时记录一次氢计量釜的数字压力计18的示数（≈ 0.999 MPa）。

氢计量釜中的氢气经过氢渗透模块7，渗透出的氢气与细小通道惰性气体运氢系统中的惰性气体在三通15处混合后，一起进入到氢气分析仪16和气体流量计17中；通过氢计量釜的压差变化计算得到的氢气渗透率是0.07 cm³/m²/24 h/atm，同时根据氢气含量分析系统实测的气体总流量乘以氢气含量来累积计算氢气渗透量，然后除以时间，得到固定容积模式下测试片的氢气渗透速率0.05 cm³/m²/24 h/atm。

由此可见，该装置可以测得极低渗透率的材料，而且压差法和浓度法可以同时测试，相互印证。如发现压力下降过快，且与浓度法结果相差过大，则有可能漏气，需要停止测试并查找漏气。这在一定程度上可以实时监测氢渗透装置的运行状态，保证测试结果的可靠性。

Claims (3)

1.一种高压氢渗透连续监测装置，其特征在于：该装置包括氢气增压系统、惰性气体运氢系统、氢气含量分析系统、氢计量釜和氢渗透模块；

所述氢气增压系统中供氢系统（8）经过氢气减压阀（9）、氢气阀（10）连接至氢计量釜釜体（1）的进气口（3）上；

所述惰性气体运氢系统中惰性气瓶（11）经惰气减压阀（12）、惰气阀（13）、流量控制器（14）连接至三通（15）的第一孔道；经三通（15）的第二个孔道连接至氢气含量分析系统，氢气含量分析系统包括氢气分析仪（16）和气体流量计（17）；氢计量釜釜体（1）上测试口（5）经氢渗透模块（7）后连接至三通（15）的第三孔道；

所述氢渗透模块（7）采用螺栓固定连接的氢渗透模块上盖（7a）和氢渗透模块下盖（7b），氢渗透模块上盖（7a）和氢渗透模块下盖（7b）之间设置测试片（7c），测试片（7c）上方依次设置微孔支撑片（7d）、支撑片（7e），经过集气腔（7j）后由模块出气口（7h）连通出气管路；测试片（7c）下方设置进气腔（7i），由模块进气口（7g）连通进气管路；

所述氢渗透模块（7）的支撑片（7e）上设置用于透气的支撑片通孔（7f），支撑片（7e）上方构成集气腔（7j），集气腔壁与支撑片（7e）为一体式，微孔支撑片（7d）设置在集气腔壁的圆环内支撑片（7e）的下方；

所述氢计量釜的抽换气口（4）依次连接数字压力计（18）和截止阀（19）；

所述氢计量釜的釜盖（2）上设置安全阀（6）；

所述氢渗透模块上盖（7a）和氢渗透模块下盖（7b）之间设置密封圈（7k）；

所述测试片（7c）与氢渗透模块下盖（7b）之间设置密封垫（7l）。

2.根据权利要求1所述的一种高压氢渗透连续监测装置，其特征在于：该装置还设有温度控制模块（20），用于调控氢计量釜和氢渗透模块（7）的温度。

3.根据权利要求1所述的一种高压氢渗透连续监测装置的测试方法，其特征在于：所述测试方法包括固定容积测试模式和恒定压力测试模式：

所述固定容积测试模式，包括以下步骤：

a.惰性气体运氢：依次打开惰气减压阀（12）、惰气阀（13），由流量控制器（14）控制惰性气瓶（11）的惰性气体的流量；

b.氢气增压：依次打开氢气减压阀（9）和氢气阀（10），将供氢系统（8）中的氢气由进气口（3）充入到氢计量釜中，氢计量釜中压力达到设定压力后，关闭氢气阀（10）；

c.氢渗透及检测：氢计量釜中的氢气由模块进气口（7g）进入到进气腔（7i）中，氢气经测试片（7c）渗透后依次经过微孔支撑片（7d）和支撑片（7e）后进入到集气腔（7j），再经过模块出气口（7h）和管路后氢气到达三通（15）；

渗透出的氢气与惰性气体运氢系统中的惰性气体在三通（15）处混合后，一起进入到氢气分析仪（16）和气体流量计（17）中；

通过氢计量釜的压差变化得到氢渗透率；同时根据氢气含量分析系统实测的气体总流量乘以氢气含量来累积计算，然后除以时间，由浓度法得到氢渗透率；

所述恒定压力测试模式，包括以下步骤：

a.惰性气体运氢：依次打开惰气减压阀（12）、惰气阀（13），由流量控制器（14）控制惰性气瓶（11）的惰性气体的流量；

b.氢气增压：依次打开氢气减压阀（9）和氢气阀（10），将供氢系统（8）中的氢气由进气口（3）充入到氢计量釜中，一直保持氢气阀（10）开启，使得氢计量釜中压力始终维持在设定压力；

c.氢渗透及检测：氢计量釜中的氢气由模块进气口（7g）进入到进气腔（7i）中，氢气经测试片（7c）渗透后依次经过微孔支撑片（7d）和支撑片（7e）后进入到集气腔（7j），再经过模块出气口（7h）和管路后氢气到达三通（15）；

渗透出的氢气与惰性气体运氢系统中的惰性气体在三通（15）处混合后，一起进入到氢气分析仪（16）和气体流量计（17）中；

根据氢气含量分析系统实测的气体总流量乘以氢气含量来累积计算，除以相应时间，即得测试片的氢气渗透速率。