CN215731811U - 一种燃料电池空气系统密封性的检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及检测燃料电池空气管路密封性领域，公开了一种燃料电池空气系统密封性的检测装置，包括：进气节气门、增湿器、电堆、尾排节气门及若干组传感器，进气节气门通过增湿器连接电堆的气体入口处，尾排节气门通过增湿器连接电堆的气体出口处，传感器分别设置在进气节气门与所述增湿器的连接管路上、增湿器与电堆的气体出口处的连接管路上及增湿器与尾排节气门的连接管路上，传感器用来检测气体。本实用新型通过氧浓度传感器所采集的值与及电堆运行电流，可以实现在线判断增湿器是否出现内漏的问题，同时也可以通过关机后管路中压力值及氧浓度传感器的采集值的变化，判断电池空气系统中节气门、增湿器及管路是否出现外漏问题。

Description

一种燃料电池空气系统密封性的检测装置

技术领域

本实用新型涉及检测燃料电池空气管路密封性领域，特别涉及一种燃料电池空气系统密封性的检测装置。

背景技术

燃料电池发动机中空气来源主要是通过空压机来提供，在空气管路中空气一般通过增湿器加湿后再进入电堆内部进行反应，空气进入电堆内的流量出现降低的现象，将会导致电堆性能出现下降，同时空气流通支路的密封性对关机后电堆性能的保护也有一定的影响。

因此，电堆在正常工作时或关机后，每个零部件是否出现外漏或内漏问题，将会影响到发动机的稳定运行情况，但目前在线的检测燃料电池发动机上空气流通支路上的零部件是否出现内漏或外漏的方法依旧缺少。

实用新型内容

为了解决现有技术无法在线检测空气流通支路上的零部件密封性，进而无法得出零部件是否发生泄漏的问题，本实用新型提供了一种燃料电池空气系统密封性的检测装置。

本实用新型的技术方案如下：

一种燃料电池空气系统密封性的检测装置，包括：进气节气门、增湿器、电堆、尾排节气门及若干组传感器，所述进气节气门通过所述增湿器连接所述电堆的气体入口处，所述尾排节气门通过所述增湿器连接所述电堆的气体出口处，所述传感器分别设置在所述进气节气门与所述增湿器的连接管路上、所述增湿器与所述电堆的气体出口处的连接管路上及所述增湿器与所述尾排节气门的连接管路上，所述传感器用来检测气体。

进一步地，所述传感器包括两组温度传感器、两组压力传感器与氧浓度传感器，所述温度传感器用来采集气体的温度，所述压力传感器用来采集气体的压力值，所述氧浓度传感器用来检测气体中的氧浓度。

进一步地，所述进气节气门与所述增湿器的连接管路上设置有一组温度传感器与一组压力传感器，用来采集进入增湿器前气体的温度及压力值，所述增湿器与所述电堆的气体出口处的连接管路上设置有一组温度传感器与一组压力传感器，用来采集进入所述增湿器前的气体的温度及压力值，所述氧浓度传感器设置在所述增湿器与所述尾排节气门的连接管路上，所述氧浓度传感器对所述增湿器出口处的气体的氧浓度进行检测。

进一步地，还包括有中冷器，所述中冷器用来降低气体温度，降温后的气体通过所述进气节气门进入到所述增湿器内。

进一步地，还包括有空压机，所述空压机对气体进行升温与升压，所述空压机与所述中冷器、进气节气门依次相连。

进一步地，还包括有空滤，所述空滤用来清除气体中的微粒杂质，所述空滤、空压机、中冷器与进气节气门依次相连。

本实用新型的有益效果至少包括：本实用新型通过氧浓度传感器所采集的值与及电堆运行电流，可以实现在线判断增湿器是否出现内漏的问题，进一步达到分析增湿器及电堆性能的效果；同时也可以通过关机后管路中压力值及氧浓度传感器的采集值的变化，判断电池空气系统中节气门、增湿器及管路是否出现外漏问题，进一步达到避免电堆氢氧界面的产生的目的。

附图说明

图1为本实用新型的燃料电池空气系统密封性的检测装置的整体结构示意图。

其中：

1-进气节气门；

2-增湿器；

3-电堆；

4-尾排节气门；

5-传感器；

501-温度传感器；502-压力传感器；503-氧浓度传感器；

6-中冷器；

7-空压机；

8-空滤。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

结合图1所示，本实用新型公开了一种燃料电池空气系统密封性的检测装置，包括：进气节气门1、增湿器2、电堆3、尾排节气门4及若干组传感器5，所述进气节气门1通过所述增湿器2连接所述电堆3的气体入口处，所述尾排节气门4通过所述增湿器2连接所述电堆3的气体出口处，所述传感器5分别设置在所述进气节气门1与所述增湿器2的连接管路上、所述增湿器2与所述电堆3的气体出口处的连接管路上及所述增湿器2与所述尾排节气门4的连接管路上，所述传感器5用来检测气体。

进一步地，所述传感器5包括两组温度传感器501、两组压力传感器502与氧浓度传感器503，所述温度传感器501用来采集气体的温度，所述压力传感器502用来采集气体的压力值，所述氧浓度传感器503用来检测气体中的氧浓度。

进一步地，所述进气节气门1与所述增湿器2的连接管路上设置有一组温度传感器501与一组压力传感器502，用来采集进入增湿器2前气体的温度及压力值，所述增湿器2与所述电堆3的气体出口处的连接管路上设置有一组温度传感器501与一组压力传感器502，用来采集进入所述增湿器2前的气体的温度及压力值，所述氧浓度传感器503设置在所述增湿器2与所述尾排节气门4的连接管路上，所述氧浓度传感器503对所述增湿器2出口处的气体的氧浓度进行检测。

设置在所述进气节气门1与所述增湿器2的连接管路上设置有一组温度传感器501与一组压力传感器502，用来采集空气进入增湿器2之前的温度及压力值，设置在所述增湿器2与所述电堆3的气体出口处的连接管路上设置有一组温度传感器501与一组压力传感器502，用来采集空气经过电堆3发生反应后，从电堆3气体出口处流出至与增湿器2相连的管路上时空气的温度及压力值，此处采集的是电堆3、增湿器2与尾排节气门连接的管路上，即将进入到增湿器2内的空气的温度和压力值，电堆未反应完的气体、水蒸气及部分液态水进入到增湿器2后对干侧空气进行加湿，增湿器2湿出位置的氧浓度传感器503检测增湿器2出口气体的氧浓度，干侧空气指从进气节气门1进入的空气。

进一步地，还包括有中冷器6，所述中冷器6用来降低气体温度，降温后的气体通过所述进气节气门1进入到所述增湿器内。

进一步地，还包括有空压机7，所述空压机7对气体进行升温与升压，中冷器6降低空压机7后端的气体温度，所述空压机7与所述中冷器6、进气节气门1依次相连。

进一步地，还包括有空滤8，所述空滤8用来清除气体中的微粒杂质，所述空滤8、空压机7、中冷器6与进气节气门1依次相连。

本实用新型提供了一种燃料电池空气系统密封性的检测方法，包括：

S1：通过检测电堆的运行状态，判断电堆为正常工作状态或关机/停机状态，并同时检测环境中大气压力；

S2：通过采集电堆正常工作状态下，空气入堆前的含氧量及入堆时的用氧量计算出空气出堆时实际含氧量，再与氧浓度传感器采集到空气的含氧量进行比较，通过比较结果判断燃料电池空气系统中的增湿器是或否出现内漏现象；

S3：通过采集电堆停机后增湿器干入的压力值与电堆空气出口位置的压力值，比较电堆停机一段时间后，压力传感器的采集值与环境中大气压力值之间的大小，通过比较结果判断燃料电池空气系统中进气节气门、尾排节气门、增湿器及管路中是或否发生外漏现象。

进一步地，所述S2包括以下：

S21：通过大气压力值表得出空气中的含氧量为V，根据理想气体状态方程式：

pV＝nRT (1)；

以及增湿器入口处的温度传感器、压力传感器获取到温度及压力值，修正实际入堆前空气中氧气流量为Q_in-stack，

式(1)中，p为压强,，V为气体体积，T为温度，n为气体的物质的量，R为摩尔气体常数；

S22：通过获取所述电堆正常工作状态下的实际拉载电流I，计算出电堆的实际的用氧量为：

Q_stack＝MO₂*n*I/4F*10^(-8) (2)；

式(2)中，MO₂为氧气的摩尔质量，n为电堆片数，I为拉载电流，F为法拉第常数；

S23：通过上述式(1)、式(2)得到空气出堆时氧气流量为Q1_out-stack＝Q_in-stack-Q_stack，再结合式(1)及电堆空气出口处的温度传感器、压力传感器获取到的温度及压力值，修正实际出堆后空气中氧气流量为Q2_out-stack，计算出此时空气中的含氧量为V2；

S24：将所述氧浓度传感器采集到空气的含氧量设为V3，V3与S23中的V2进行比较，若V2＜V3，则表明所述增湿器出现内漏现象，反之则表明所述增湿器工作正常。

进一步地，通过判断电堆停机3h内压力传感器采集值与环境中大气压力值之间的大小，若压力传感器采集值小于环境中大气压力值及氧浓度传感器采集为0，则表明空气路管路密封正常，反之则表明管路和/或进气节气门、尾排节气门、增湿器出现密封失效现象。

本实用新型提供的检测装置包括两组压力传感器，在电堆停机后，通过压力传感器采集燃料电池空气系统内部的压力值，将所采集到的压力值与环境中大气压力进行比较，确定空气路管路是否密封正常，此处对燃料电池空气系统采集的压力值，只需采取两组压力传感器中任意一组的采集值即可，空气路管路即指检测装置中用来连接构件之间、输送气体的管路。

进一步地，所述S1通过燃料电池控制器检测环境中的大气压力。

本实用新型通过检测发动机的运行状态，判断电堆是处于正常工作运行状态或电堆为关机/停止状态。

当电堆处于正常工作运行状态，通过燃料电池控制器检测环境中的大气压力，再通过大气压力值表得出空气中氧气的含量为V，当空气气体经过空压机升温和升压后，空气中氧气的质量流量会发生变化，因此可以根据理想气体状态方程式pV＝nRT，及增湿器入口处温度压力值修正实际入堆时空气中氧气的流量后为Q_in-stack。

接着通过燃料电池控制器可以知晓发动机在运行时电堆实际拉载电流为I，根据电堆拉载电流值可得到电堆实际的气用量Q_stack＝MO₂*n*I/4F*10^(-8)，单位为kg/s，其中MO₂为氧气的摩尔质量，n为电堆片数，I为拉载电流，F为法拉第常数；可得出空气出堆后气体中氧气的含量Q1_out-stack＝Q_in-stack-Q_stack。当空气经过电堆发生反应后其温度和压力发生了变化，此可根据理想气体状态方程式PV＝nRT，及电堆空气出口温度压力值修正实际出堆后空气中氧气的流量后为Q2_out-stack，通过修改后的值计算此时空气中氧气的含量为V2。将此时的空气中氧气含量V2与氧浓度传感器采集的氧浓度V3进行比较，如果电堆空出氧浓度V2小于氧浓度传感器采集的氧浓度V3时，则表明空气从增湿器的干入内漏到湿出位置，导致氧浓度传感器采集值高于电堆出口位置，长时间运行后随着串漏量的增加可能会导致电堆气量不足而引起性能下降。

当检测到电堆停机后，燃料电池控制器检测环境中气体压力，停机后在采集增湿器干入的压力值与电堆空气出口位置压力值，判断停机3h内压力传感器采集值与环境中大气压力值之间的大小；如压力传感器采集值小于环境中压力值及氧浓度传感器采集为零时则表示空气路管路密封正常，未出现较大泄露，否则表明管路或者节气门可能出现密封失效问题。

本实用新型中的氧气流量Q的单位为g/s，表示的是单位时间内经过的氧气质量；含氧量V又可称为氧含量，表示的是当前体积的气体中氧气所占的体积，将氧气流量换算为含氧量是为了便于同氧浓度传感器采集的数值进行比较。

本实用新型通过氧浓度传感器所采集的值与及电堆运行电流，可以实现在线判断增湿器是否出现内漏的问题，进一步达到分析增湿器及电堆性能的效果；同时也可以通过关机后管路中压力值及氧浓度传感器的采集值的变化，判断电池空气系统中节气门、增湿器及管路是否出现外漏问题，进一步达到避免电堆氢氧界面的产生的目的。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种燃料电池空气系统密封性的检测装置，其特征在于：包括：进气节气门、增湿器、电堆、尾排节气门及若干组传感器，所述进气节气门通过所述增湿器连接所述电堆的气体入口处，所述尾排节气门通过所述增湿器连接所述电堆的气体出口处，所述传感器分别设置在所述进气节气门与所述增湿器的连接管路上、所述增湿器与所述电堆的气体出口处的连接管路上及所述增湿器与所述尾排节气门的连接管路上，所述传感器用来检测气体。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气系统密封性的检测装置，其特征在于：所述传感器包括两组温度传感器、两组压力传感器与氧浓度传感器，所述温度传感器用来采集气体的温度，所述压力传感器用来采集气体的压力值，所述氧浓度传感器用来检测气体中的氧浓度。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池空气系统密封性的检测装置，其特征在于：所述进气节气门与所述增湿器的连接管路上设置有一组温度传感器与一组压力传感器，用来采集进入增湿器前气体的温度及压力值，所述增湿器与所述电堆的气体出口处的连接管路上设置有一组温度传感器与一组压力传感器，用来采集进入所述增湿器前的气体的温度及压力值，所述氧浓度传感器设置在所述增湿器与所述尾排节气门的连接管路上，所述氧浓度传感器对所述增湿器出口处的气体的氧浓度进行检测。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气系统密封性的检测装置，其特征在于：还包括有中冷器，所述中冷器用来降低气体温度，降温后的气体通过所述进气节气门进入到所述增湿器内。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气系统密封性的检测装置，其特征在于：还包括有空压机，所述空压机对气体进行升温与升压，所述空压机与所述中冷器、进气节气门依次相连。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气系统密封性的检测装置，其特征在于：还包括有空滤，所述空滤用来清除气体中的微粒杂质，所述空滤、空压机、中冷器与进气节气门依次相连。

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