一种燃料电池电堆单池检测装置及检测方法

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆单池检测装置及检测方法。

背景技术：

随着燃料电池行业的发展，燃料电池系统的需求量急剧上升。高比功率的燃料电池系统广泛应用于替代油机发电的固定及可移动发电站、车载电源及单兵作战便携式电源等生活生产中的各个方面。燃料电池发电系统具有污染小、燃料价格低廉、低噪音、高比功率等优点，相比于汽柴油发电设备，燃料电池工作温度一般低于200℃，对环境及操作人员均非常安全，在军用设备上，由于工作温度低噪音小、热辐射远远小于汽柴油等发电设备，因此可为对隐身要求较高的军用设备供电。

高比功率燃料电池系统中核心问题为开发具有高比功率、高一致性、长寿命的燃料电池电堆，其中膜电极又是电堆中主要化学反应发生的场所。随着燃料电池电堆比功率的不断提高，电堆对膜电极的要求也不断的提高，膜电极有效面积不断增大，电堆中膜电极数量也从几十片不断增多到几百片，因此在进行燃料电池电堆集成之前，对将要集成的每片膜电极进行性能检测，包含每片膜电极的膜的密封性、膜电极的开路、膜电极不同电流密度下对应的电压，从而保证电堆中每片膜电极之间的性能一致性，其对于保证电堆的性能和寿命尤为重要。

然而在燃料电池领域，现有技术中独立的燃料电池单池检测装置的检测功能性比较单一，无法兼具膜电极不同电流密度下对应的电压和膜电极的密封性以及膜电极的开路检测。

企业生产燃料电池的量通常很大，如果每个单池的性能需要不同的装置分开检测，每检测一块燃料电池不仅成本较高，而且将会花费大量的时间和精力，大大限制了企业的发展。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明了提供了一种独立的燃料电池单池的多性能检测装置及检测方法，待测试的单池装置于本申请所提供的检测装置中安装完毕后，可以兼具膜电极不同电流密度下对应的电压、膜电极的密封性以及膜电极的开路检测。

本发明技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种燃料电池电堆单池检测装置，所述检测装置包括加压装置、检测组件以及气体通道；

所述加压装置设于检测组件的上部，用于控制待测试单池装置中膜电极的压缩比；

所述检测组件包括上加热片、上垫块、下垫块、下加热片、热电偶；

所述上垫块位于下垫块的上方，所述上加热片位于上垫块的上方，所述下加热片位于下垫块的下方；

所述上、下加热片均与正负两根电源线相连接；

所述上垫块、下垫块为集流垫块；

所述上垫块的侧面设有集流螺杆孔i，所述下垫块的侧面设有集流螺杆孔ii，所述集流螺杆孔i、ii内均设有镀金集流杆；

所述热电偶具有金属探头，所述金属探头与待测试的单池装置的双极板相接触；

所述的气体通道包括氢气通道和空气输入通道；

所述氢气通道包括氢气输入通道和氢气输出通道，所述氢气输入通道和氢气输出通道分别与待测试的单池装置的氢气进、出口相连通；

所述空气输入通道与待测试的单池装置的空气进口相连通。

基于以上技术方案，优选地，

所述检测装置还包括支撑固定装置，所述支撑固定装置用于固定加压装置和检测组件；

所述检测组件还包括上底座、固定金属框上框、固定金属框下框、下底座和光电式位移传感器；

所述上底座与所述加压装置固定，所述上加热片嵌入所述上底座内，所述上框位于上底座的下方，所述上框与上底座之间进行密封，

所述上垫块嵌入所述上框内，所述下垫块嵌入所述下框内；

所述固定金属框下框嵌入所述下底座内；

所述下加热片设置于所述固定金属框下框和下底座之间。

基于以上技术方案，优选地，

所述上底座紧挨所述上框的一面设有方形凹槽i、所述下底座紧挨所述下框的一面设有方形凹槽ii，所述上加热片嵌入方形凹槽i中，所述下加热片嵌入方形凹槽ii中；

所述方形凹槽的深度大于加热片的厚度；

所述方形凹槽i的一边设有线槽i和线槽ii，所述线槽i嵌入正极电源线，所述线槽ii嵌入负极电源线；所述方形凹槽ii的一边设有线槽iii和线槽iv，所述线槽iii嵌入正极电源线，所述线槽iv嵌入负极电源线；

所述下底座还设有开槽，所述开槽位于方形凹槽ii的上部，所述开槽的形状和尺寸与所述下框的下端相适配，所述下框的下端嵌入所述开槽内；

所述开槽的深度小于所述固定金属框下框的厚度。

基于以上技术方案，优选地，

所述上框中空位置的形状与所述上垫块的形状相适配，所述下框中空位置的形状与所述下垫块的形状相适配，所述上框的侧面设有与集流螺杆孔i相对应的开孔，所述下框的侧面设有与集流螺杆孔ii相对应的开孔；

所述上框紧挨所述下框的一面设有双极板凹槽i，所述下框紧挨所述上框的一面的设有双极板凹槽ii，凹槽的形状与被测试的单池双极板的形状相同；

所述上框的侧面设有热偶孔i，所述热偶孔i位于所述方形凹槽i竖直方向的中间位置，所述下框的侧面设有热偶孔ii，所述热偶孔ii位于所述方形凹槽ii竖直方向的中间位置；

所述固定金属框下框与所述上框紧挨的一面设有三个定位销，所述三个定位销呈等腰三角形分布；

基于以上技术方案，优选地，

所述支撑固定装置包括上顶板、下底板以及四根导杆；

所述四根导杆支撑于上顶板和下底板的四角之间，所述上顶板可沿导杆方向滑动；

所述加压装置包括气缸和光电位移传感器；

所述气缸包括气缸缸体和气缸推杆；

所述气缸缸体的上端固定于所述上顶板的下端，所述气缸缸体的下端安装有伸缩型气缸推杆；

所述上底座安装于气缸推杆的下端，所述下底座的下端与所述下底板通过四根定位螺杆紧固连接；

所述光电式位移传感器包括光电式位移传感器探头和光电式位移传感器基准部，所述光电式位移传感器用于控制气缸推杆的运动；

所述传感器基准部安装于所述固定金属框下框的侧面，所述传感器探头安装于所述上底座的侧面，所述传感器探头和所述传感器基准部配合使用。

所述加压装置的使用方式为：通过气缸推杆的向下运动给予所要测试的单池装置一个预紧力，通过安装光电位移传感器控制气缸推杆的向下位移，当单池装置中膜电极的压缩比达到要求时，光电位移传感器传输电信号使气缸推杆自动停止向下运动并进行保压。

基于以上技术方案，优选地，

所述下底板、下底座、固定金属框下框均设有相适配的开孔作为氢气进入通道；

所述下底板的开孔作为氢气输入通道ⅰ，所述氢气输入通道ⅰ与外界氢气气源相连通，下底座的开孔作为氢气输入通道ⅱ、固定金属框下框的开孔作为氢气输入通道ⅲ；

外界气源提供的氢气通过氢气输入通道ⅰ进入单池检测装置，接着由氢气输入通道ⅰ依次通过氢气输入通道ⅱ、氢气输入通道ⅲ与单池装置的氢气进口相连通。

所述固定金属框上框、下底座上分别设有相适配的开孔作为氢气输出通道；

所述固定金属框上框的开孔作为氢气输出通道ⅰ，所述上底座的开孔作为氢气输出通道ⅱ；

由单池装置的氢气出口排出的氢气通过氢气输出通道ⅰ进入氢气输出通道ⅱ，从而与外界氢气排出管路连接。

所述下底板、下底座和固定金属框下框均设有相适配开孔作为空气输入通道；

所述下底板设有开孔作为空气输入通道ⅰ，所述空气输入通道ⅰ与外界空气气源相连通；所述下底座设有开孔作为空气输入通道ⅱ，固定金属框下框设有开孔作为空气输入通道ⅲ。

外界空气通过空气输入通道ⅰ进入单池检测装置，接着由空气输入通道ⅰ依次通过空气输入通道ⅱ、空气输入通道ⅲ进入凹槽，接着由凹槽进入单池装置的空气进口。

所述氢气输出通道ⅰ与所述氢气输出通道ⅱ直径相同且同心设置，所述氢气输出通道ⅰ与所述氢气输出通道ⅱ之间采用氟橡胶o型圈密封；

所述氢气输入通道ⅱ与所述氢气输入通道ⅲ直径相同且同心设置，所述氢气输入通道ⅱ与所述氢气输入通道ⅲ之间采用氟橡胶o型圈密封；

所述氢气输出通道ⅱ为带内螺纹的开孔；

基于以上技术方案，优选地，

所述上垫块和下垫块为不锈钢镀金集流垫块；

所述上垫块和下垫块为四角倒圆角的方形块；

所述上、下加热片为24v或48v的直流加热片、220v交流加热片中的一种或两种；

所述上、下加热片为硅橡胶或不锈钢材质；

所述光电式位移传感器的精度≤5um；

所述光电位移传感器探头通过卡扣安装于所述上底座的侧面；

所述导杆与所述上顶板和下底板之间通过螺栓固定，所述上顶板和下底板为不锈钢板，所述导杆为光滑镀铬不锈钢导杆；

所述上底座为不锈钢镀铬材质的四角倒圆角的方形块，所述上底座通过螺栓安装于所述气缸推杆的下端；

第二方面，本发明提供了一种燃料电池单池的多性能检测方法，所述方法如下：

首先将两块双极板与膜电极按照单池组装的方式装配好，膜电极置于两块双极板之间，于膜电极和上双极板之间设有第一道密封垫，于膜电极和下双极板之间设有第二道密封垫，两块双极板阴阳极流场、阴阳极气体进出口均处于第一道密封垫和第二道密封垫所围绕的区域内。

根据本发明提供的燃料电池电堆单池检测装置，将待测试的单池安装在所述检测装置上，安装方法如下：将组装好的单池置于上垫块和下垫块之间，上双极板与所述上垫块接触，下双极板与所述下垫块接触，将两根镀金集流杆分别插入集流螺杆孔i、ii内引出两根输出导线，通过加压装置控制单池装置中膜电极的压缩比，当单池装置中膜电极的压缩比达到要求时，利用加压装置进行保压，此时单池装置安装完毕。

一种燃料电池单池膜电极密封性检测方法，将单池在所述技术方案任一所述的检测装置中安装完毕，进行单池膜电极密封检测时，氢气通过所述检测装置上的氢气输入通道进入单池双极板，当外界氢气进口管路中的压力传感器示数达到指定值时，关闭氢气进口管路和氢气出口管路中的电磁阀，停止氢气输入，保压1-2min，若压力传感器示数变化小于2‰时，被测膜电极为合格品，若压力传感器示数变化大于2‰时，被测膜电极为不合格品。

一种燃料电池单池膜电极性能检测方法，将单池在技术方案中任一所述的检测装置中安装完毕，将镀金集流杆引出的两根输出导线连接至负载上，使热电偶的金属探头与被测试的单池装置的双极板接触，测试并记录单池的温度，通过上、下加热片对上垫块和下垫块加热，间接对单池装置进行加热，当单池装置中的膜电极温度达到工作温度时，通过气体通道向装置内通入膜电极工作所需要的氢气和空气，使连接在单池上的负载进行不同电流密度条件下的放电输出，通过对比各个单池在相同电流密度下单池的电压值大小来判断单池的膜电极性能。

一种燃料电池单池膜电极的开路检测方法，其特征在于，将单池在所述技术方案任一所述的检测装置中安装完毕，向所述检测装置中通入氢气，采用万用表测量上垫块和下垫块的集流螺杆孔中引出的两根导线之间的电压。

有益效果

1、本发明了提供了一种独立的燃料电池单池的多性能检测装置及检测方法，在燃料电池电堆集成之前，将待测试的单池于本申请所提供的检测装置中安装完毕后，可以兼具膜电极不同电流密度下对应的电压、膜电极的密封性以及膜电极的开路检测，其对于保证电堆的性能及寿命尤为重要。

2、本发明所提供的检测装置，在待测试的单池安装完毕后，可以兼具上述三种功能的检测，节约检测成本和检测时间，具备工程化放大的潜力，有助于燃料电池技术的商业化。

3、由于膜电极的性能尤其是装入电堆中的每片膜电极之间的一致性对整个电堆的寿命有决定性的作用，因此在集成电堆之前对每片膜电极的性能进行检测，通过检测得到的数据将膜电极进行分级分类后再进行电堆的集成，这样有助于电堆质量品质的管控，使性能相近的膜电极集成到同一个电堆中，大大提高了电堆性能的一致性从而增加电堆的使用寿命。

附图说明

图1为燃料电池电堆单池检测装置；

图2为燃料电池电堆单池检测装置爆炸图；

图3为支撑固定装置的下底板；

图4为气缸缸体和推杆；

图5为下底座；

图6固定金属框下框；

图7镀金集流下垫块；

图8支撑固定装置的导杆；

图9氢气通道图；

图10空气通道图。

图中：

101上顶板、102下底板、103导杆；

201气缸缸体、202气缸推杆、203光电位移传感器探头、204光电位移传感器基准部；

301上垫块、302下垫块、303集流螺杆孔ii、304上底座、305下底座、306开槽、307方形凹槽ii、308线槽iii、309线槽iv、310固定金属框上框、311固定金属框下框、312双极板凹槽ii、313热偶孔ii、314定位销；

401氢气输入通道i、402氢气输入通道ii、403氢气输入通道iii、404氢气输出通道i、405氢气输出通道ii、406空气输入通道i、407空气输入通道ii、408空气输入通道iii、409空气排放口。

具体实施方式

一种燃料电池电堆单池检测装置，包括支撑固定装置、加压装置、检测组件以及气体通道，所述加压装置设置于检测组件的上部，用于控制待测试单池装置中膜电极的压缩比，所述支撑固定装置用于固定加压装置和检测组件；

所述检测组件包括上底座304、上加热片、固定金属框上框310、上垫块301、下垫块302、固定金属框下框311、下加热片、下底座305、热电偶，

所述上底座304与所述加压装置固定，所述上加热片嵌入所述上底座304内，所述上框310位于上底座304的下方，所述上框310与上底座304之间密封连接，所述上垫块301嵌入所述上框310内，所述下垫块302位于上垫块301的下方，所述下垫块302嵌入所述下框311内；所述固定金属框下框311嵌入所述下底座305内；所述下加热片设置于所述固定金属框下框311和下底座305之间，所述上、下加热片均与正负两根电源线相连接；

所述上垫块301的侧面设有集流螺杆孔i，所述下垫块302的侧面设有集流螺杆孔ii303，所述集流螺杆孔i、ii内均设有镀金集流杆；所述上垫块301和下垫块302均为不锈钢镀金集流垫块，所述上垫块301和下垫块302为四角倒圆角的方形块，所述方形块的厚度为21.8mm，边长为70mm；

所述上、下加热片220v交流加热片中；所述上、下加热片为不锈钢材质；

所述上底座304为不锈钢镀铬材质的四角倒圆角的方形块，厚度为23mm，边长为100mm，所述上底座304紧挨所述上框310的一面设有方形凹槽i、所述下底座305紧挨所述下框311的一面设有方形凹槽ii307，所述上加热片嵌入方形凹槽i中，所述下加热片嵌入方形凹槽ii307中；

所述方形凹槽i的深度大于上加热片的厚度，所述方形凹槽ii的深度大于下加热片的厚度；所述方形凹槽ii307的深度小于所述固定金属框下框311的厚度。

所述方形凹槽i的一边设有线槽i和线槽ii，所述线槽i嵌入正极电源线，所述线槽ii嵌入负极电源线；所述方形凹槽ii307的一边设有线槽iii308和线槽iv309，所述线槽iii308嵌入正极电源线，所述线槽iv309嵌入负极电源线；

所述下底座305还设有开槽306，所述开槽306位于方形凹槽ii307的上部，所述开槽306的形状和尺寸与所述下框311的下端相适配，所述下框311的下端嵌入所述开槽306内。

所述上框310中空位置的形状与所述上垫块301的形状相适配，所述下框311中空位置的形状与所述下垫块302的形状相适配，所述上框310的侧面设有与集流螺杆孔i相对应的开孔，所述下框311的侧面设有与集流螺杆孔ii303相对应的开孔；

所述上框310紧挨所述下框311的一面设有双极板凹槽i，所述下框311紧挨所述上框310的一面的设有双极板凹槽ii312，凹槽的形状与被测试的单池双极板的形状相同；

所述上框310的侧面设有直径1.2mm的热偶孔i，所述热偶孔i位于所述方形凹槽i竖直方向的中间位置，所述下框311的侧面设有直径1.2mm的热偶孔ii313，所述热偶孔ii313位于所述方形凹槽ii307竖直方向的中间位置；

所述热偶孔i和热偶孔ii313中设有热电偶，所述热电偶具有金属探头，所述金属探头与待测试的单池装置的双极板相接触；

所述固定金属框下框311与所述上框310紧挨的一面设有三个定位销314，用于防止上、下框311错位，所述三个定位销314呈等腰三角形分布；

所述支撑固定装置包括上顶板101、下底板102以及四根导杆103，所述上顶板101和下底板102为两块15mm厚的不锈钢板，所述导杆103为直径16mm、长300mm的光滑镀铬不锈钢导杆103，所述下底板102的四角通过螺栓安装有四根导杆103，四根导杆103的上端分别通过螺栓安装于上顶板101的四角，所述上顶板101可沿导杆103方向滑动；

所述加压装置包括气缸和光电位移传感器，所述气缸包括气缸缸体201和气缸推杆202，所述气缸缸体201的上端安装于所述上顶板101的下端，气缸缸体201的下端安装有伸缩型气缸推杆202，所述上底座304通过螺栓安装于气缸推杆202的下端，所述下底座305的下端与所述下底板102通过四根定位螺杆紧固连接；

所述光电式位移传感器包括传感器基准部204和光电式位移传感器探头203，所述光电式位移传感器用于控制气缸推杆202的运动，所述传感器基准部204安装于所述固定金属框下框311的侧面，所述探头通过卡扣安装于所述上底座304的侧面，所述传感器基准部204和所述探头配合使用；

所述气缸为smc牌气缸，光电位移传感器为日本基恩士位移传感器，气缸通过气压大小调节，精度通过光电位移传感器控制，控制精度≤5um。

所述的气体通道包括氢气通道和空气输入通道；所述氢气通道包括氢气输入通道和氢气输出通道，所述氢气输入通道和氢气输出通道分别与待测试的单池装置的氢气进、出口相连通；所述空气输入通道与待测试的单池装置的空气进口相连通。

所述下底板102、下底座305、固定金属框下框311均设有相适配的开孔作为氢气进入通道；所述下底板102的开孔作为氢气输入通道ⅰ401，所述氢气输入通道ⅰ401与外界氢气气源相连通，下底座305的开孔作为氢气输入通道ⅱ402、固定金属框下框311的开孔作为氢气输入通道ⅲ403；

所述氢气输入通道ⅱ402与所述氢气输入通道ⅲ403直径相同且同心设置，所述氢气输入通道ⅱ402与所述氢气输入通道ⅲ403之间采用氟橡胶o型圈密封；

外界气源提供的氢气通过氢气输入通道ⅰ401进入单池检测装置，接着由氢气输入通道ⅰ401依次通过氢气输入通道ⅱ402、氢气输入通道ⅲ403与单池装置的氢气进口相连通。

所述固定金属框上框310、下底座305上分别设有相适配的开孔作为氢气输出通道；所述固定金属框上框310的开孔作为氢气输出通道ⅰ404，所述上底座304的开孔作为氢气输出通道ⅱ405；

所述氢气输出通道ⅰ404与所述氢气输出通道ⅱ405直径相同且同心设置，所述氢气输出通道ⅰ404与所述氢气输出通道ⅱ405之间采用氟橡胶o型圈密封；

由单池装置的氢气出口排出的氢气通过氢气输出通道ⅰ404进入氢气输出通道ⅱ405，从而与外界氢气排出管路连接。

所述下底板102、下底座305和固定金属框下框311均设有相适配开孔作为空气输入通道；所述下底板102设有开孔作为空气输入通道ⅰ406，所述空气输入通道ⅰ406与外界空气气源相连通；所述下底座305设有开孔作为空气输入通道ⅱ407，固定金属框下框311设有开孔作为空气输入通道ⅲ408。

外界空气通过空气输入通道ⅰ406进入单池检测装置，接着由空气输入通道ⅰ406依次通过空气输入通道ⅱ407、空气输入通道ⅲ408进入凹槽，接着由凹槽进入单池装置的空气进口。

由单池装置排出的空气可以通过固定金属框下框311的空气排放口409直接排到检测装置外部。

所述氢气输入通道ⅰ401、氢气输出通道ⅱ404、空气输入通道ⅰ407为带内螺纹的开孔为直径6mm带npt内螺纹的开孔；

测试过程如下：

单池组装：首先将两块双极板与膜电极按照单池组装的方式装配好，膜电极置于两块石墨双极板之间，于膜电极和上双极板之间设有第一道厚度为0.5mm密封垫，于膜电极和下双极板之间设有第二道厚度为0.5mm密封垫，两块双极板阴阳极流场、阴阳极气体进出口均处于第一道密封垫和第二道密封垫所围绕的区域内。

根据本发明提供的燃料电池电堆单池检测装置，将待测试的单池安装在所述检测装置上，安装方法如下：将组装好的单池嵌入到固定金属框上、下框311的双极板凹槽i和双极板凹槽ii312之间进行限位，将两根镀金集流杆分别插入集流螺杆孔i、ii内引出两根输出导线，通过气缸推杆202的向下运动给予所要测试的单池装置一个预紧力，通过安装在上框310上的光电位移传感器控制气缸推杆202的向下位移，当膜电极的压缩比达到要求时(压缩比为15％—20％)，光电位移传感器传输电信号使气缸推杆202自动停止向下运动并进行保压，此时单池装置安装完毕。

一种燃料电池单池膜电极密封性检测方法，将单池在所述的检测装置中安装完毕，进行单池膜电极密封检测时，氢气通过所述检测装置上的氢气输入通道进入单池双极板，当外界氢气进口管路中的压力传感器示数达到指定值时(压力为800—1000pa)，关闭氢气进口管路和氢气出口管路中的电磁阀，停止氢气输入，两个电磁阀形成单池密闭空间，保压1-2min，若压力传感器示数变化小于2‰时，被测膜电极为合格品，若压力传感器示数变化大于2‰时，被测膜电极为不合格品。

一种燃料电池单池膜电极性能检测方法，将单池在所述的检测装置中安装完毕，将镀金集流杆引出的两根输出导线连接至负载上，将热电偶插入到热偶孔中，使热电偶的金属探头与被测试的单池装置的双极板接触，测试并记录单池的温度，通过上、下加热片对上垫块301和下垫块302加热，间接对单池装置进行加热，当单池装置中的膜电极温度达到工作温度160～180℃时，通过气体通道向装置内通入膜电极工作所需要的氢气和空气，使连接在单池上的负载进行不同电流密度条件下的放电输出，通过对比各个单池在相同电流密度下单池的电压值大小来判断单池的膜电极性能。

一种燃料电池单池膜电极的开路检测方法，将单池在所述的检测装置中安装完毕，向所述检测装置中通入氢气，采用万用表测量上垫块301和下垫块302的集流螺杆孔中引出的两根导线之间的电压，开路电压一般在0.8—1.1v之间。