一种燃料电池膜氢气透过率测试系统的制作方法

本实用新型涉及一种燃料电池膜氢气透过率测试系统，属于测量装置技术领域。

背景技术：

燃料电池因其零排放、效率高、启动快、低温运行无噪音等优点，正逐步成为新能源技术发展的重要方向。燃料电池的工作过程相当于电解水的“逆过程”：作为电池能量来源的h2在电池的阳极通过催化剂作用失去电子生成h⁺，h2失去的电子经过外部电路到达电池的阴极，与此同时h⁺通过电池阳极和阴极之间的燃料电池膜到达阴极，与阴极催化剂上的o2以及从外电路到达阴极的电子一起反应生成水。具体原理如下所示：

阳极：h2-2e^-→2h⁺

阴极：

整个过程，储存在h2和o2中的化学能一部分以外电路电子做功的电能形式释放出来，实现化学能到电能的转换，理论计算该转换效率可达到83％，实际转换率可以达到40％～60％。在该过程中，燃料电池膜的“阻隔”性能十分关键。即燃料电池膜只允许h⁺通过，而不允许h2和o2自由穿透，如果h2通过膜到达阴极，会降低电极电动势，导致电能输出效率降低，当h2透过量足够大，达到一定浓度后，直接化学反应释放的热能会导致燃料电池膜不断降解，严重时会发生爆炸危险。因此，在燃料电池膜的研发和生产过程中，对氢气透过率的测试尤为重要，该数值的高低直接影响燃料电池电堆的使用寿命和安全性能。

对燃料电池膜的氢气透过率测试的方法依据是《gb20042.3-2009质子交换膜燃料电池第3部分：质子交换膜测试方法》中透气率测试部分，即在以燃料电池膜为中间隔层的密闭夹具一侧通入氮气或氦气等惰性气体，另一侧通入氢气，经过至少2h的渗透过程后，气相色谱仪检测惰性气体一侧的氢气含量，从而计算得到该段时间内的氢气透过率。

上述国标测试方法存在的局限是：(1)氢气透过率的测试条件(温度为25℃±2℃，相对湿度为50％±5％)并不能反映燃料电池膜在较高温度和湿度下(通常也是燃料电池的工作条件，如80℃，95％r.h.)的氢气透过率(2)由于没有实时的气体流量显示，该方法得到的氢气透过率数值为一段时间(≥2h)内的氢气透过率平均值，无法得到在具体某一时刻的氢气透过率数值。(3)直接将渗透结束后的惰性气体出口通入气相色谱仪，而没有经过气体净化装置，会导致具有较高湿度的气体携带冷凝水进入色谱仪，进而影响色谱柱的使用寿命和氢气出峰峰形。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种燃料电池膜氢气透过率测试系统，可实现饱和湿度、不同温度测试条件下氢气浓度的实时在线监测。

本实用新型的技术方案如下：

一种燃料电池膜氢气透过率测试系统，包括气体渗透装置、加热罐系统和氢气浓度检测装置，其中，

气体渗透装置包括结构相同的2个半腔夹具，2个半腔夹具连接处设置密封胶圈，密封胶圈内平铺设置燃料电池膜，加热罐系统包括结构相同的左加热罐和右加热罐，左加热罐和右加热罐内均设置加热棒和热电偶，左加热罐和右加热罐分别管道连接至2个半腔夹具；

氢气浓度检测装置包含气相色谱仪和计算机，连接左加热罐的半腔夹具管道连接至气相色谱仪，气相色谱仪连接计算机，另一个半腔夹具设置排气管道，将半腔夹具内气体排出。

根据本实用新型，优选的，左加热罐和右加热罐与半腔夹具的连接管道上分别设置伴热带，保证气体在传输过程中温度和湿度不会产生变化。

根据本实用新型，优选的，左加热罐和右加热罐与半腔夹具的连接管道上均设置压力传感器和气体流量计，通过压力传感器测量管道内压力值，通过气体流量计实时显示两加热罐中流出气体的流量值。

根据本实用新型，进一步优选的，压力传感器连接稳压控制装置，稳压控制装置分别与左加热罐和右加热罐与半腔夹具的连接管道连接。稳压控制装置由精密调压阀和储气罐组成，通过调节精密调压阀旋钮，实现两侧压力传感器读数一致。

根据本实用新型，优选的，半腔夹具与气相色谱仪的连接管道上设置气体净化装置。

根据本实用新型，进一步优选的，气体净化装置采用球形透明玻璃管，球形透明玻璃管内填充变色硅胶、氯化钙或脱脂棉球中的一种或两种的组合。

根据本实用新型，优选的，半腔夹具为不锈钢材质的正方体，半腔夹具的内部空腔形状为正方体或圆柱体。

根据本实用新型，优选的，热电偶和加热棒通过导线与温控仪相连，通过温控仪调控加热温度，加热罐系统通过加热纯水产生饱和水蒸气，可输出不同温度下的饱和湿度气体，实现膜在不同温度条件下的气体透过率测试。

根据本实用新型，优选的，气相色谱仪的侧面设有进样阀，待测气体通过进样阀进入气相色谱仪，进样阀自动控制气体的进样量，实现对气体浓度的在线监测。

根据本实用新型，优选的，进样阀为六通阀，可一次控制进样量为1ml。

根据本实用新型，优选的，热电偶设置于左加热罐和右加热罐的中心位置。

上述燃料电池膜氢气透过率测试系统的工作过程为：

(1)裁取出形状规则的燃料电池膜，测量其面积s(cm²)，将其平铺于密封胶圈之间，然后与密封胶圈一起放置于2个半腔夹具中间，利用紧固螺丝钉和螺帽拧紧，测漏通过后，作为气体渗透装置备用；

(2)在左加热罐中注满去离子水，确保加热棒全部淹没，热电偶与温控仪通过连接导线相连，利用连接导管从罐体出气口依次串联压力传感器和气体流量计，压力传感器与稳压控制装置通过导线连接，自左加热罐气体入口出通入氮气，测漏通过后，作为氮气加热罐系统备用；

(3)在右加热罐中重复步骤(2)的操作步骤，自右加热罐气体入口出通入氢气，测漏通过后，将右加热罐作为氢气加热罐系统备用；

(4)开启氮气、氢气阀门，经减压阀减压后分别进入左加热罐和右加热罐，温控仪设定加热温度，待温度显示达到设定值后，通过稳压控制装置调节气体渗透装置左右两侧的气压值，使其读数一致；

(5)待气体渗透装置左右两侧的气压值一致后，开启气相色谱仪，30min后，开启进样阀，测试开始。

通过气相色谱读取氢气峰面积值a，利用已建立好的标准曲线校正因子f，求得氢气浓度(ppm)w＝a*f,读出氮气流量计的示数q(ml/min)，则该燃料电池膜的氢气透过率c为：

c＝a×f×q/s(ml/cm²·min)

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型的测试系统通过加热罐系统调控膜渗透所需的不同温度和湿度条件，拓宽了膜的透氢测试范围，表征饱和湿度、不同温度下燃料电池膜的氢气透过性能。

2、本实用新型的测试系统能够从气体流量计直接读取数值q，代入氢气透过率计算公式，能够得到实时的氢气透过率值，更能直观的显示膜的透氢性能随渗透时间的变化关系。

3、本实用新型的测试系统利用气体净化装置和气相色谱仪进样阀结合，避免了被测气体的水、盐物质干扰以及手动取样进样带来的测试误差，测试结果更准确和稳定，提高了测试效率。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

其中：1、左加热罐；2、加热棒；3、热电偶；4、连接导管；5、伴热带；6、压力传感器；7、气体流量计；8、半腔夹具；9、密封胶圈；10、燃料电池膜；11、气体渗透装置；12、半腔夹具；13、气体流量计；14、压力传感器；15、热电偶；16、加热棒；17、右加热罐；18、气体净化装置；19、六通阀；20、气相色谱仪；21、计算机。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本实用新型做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种燃料电池膜氢气透过率测试系统，包括气体渗透装置11、加热罐系统和氢气浓度检测装置，其中，

气体渗透装置11包括结构相同的半腔夹具8和半腔夹具12，2个半腔夹具连接处设置密封胶圈9，密封胶圈9内平铺设置燃料电池膜10，加热罐系统包括结构相同的左加热罐1和右加热罐17，左加热罐1内均设置加热棒2和热电偶3，右加热罐17内均设置加热棒16和热电偶15，左加热罐1和右加热罐17分别管道连接至2个半腔夹具；

氢气浓度检测装置包含气相色谱仪20和计算机21，半腔夹具8管道连接至气相色谱仪，气相色谱仪20连接计算机21，半腔夹具12设置排气管道，将半腔夹具内气体排出。

左加热罐1与半腔夹具8的连接管道上设置压力传感器6和气体流量计7，右加热罐17与半腔夹具12的连接管道上设置压力传感器14和气体流量计13，通过压力传感器测量管道内压力值，通过气体流量计实时显示两加热罐中流出气体的流量值。

压力传感器连接稳压控制装置，稳压控制装置分别与左加热罐和右加热罐与半腔夹具的连接管道连接。稳压控制装置由精密调压阀和储气罐组成，通过调节精密调压阀旋钮，实现两侧压力传感器读数一致，稳压控制装置为市购现有产品。

半腔夹具8与气相色谱仪20的连接管道上设置气体净化装置18。

气体净化装置18采用球形透明玻璃管，球形透明玻璃管内填充变色硅胶。

热电偶和加热棒通过导线与温控仪相连，通过温控仪调控加热温度，加热罐系统通过加热纯水产生饱和水蒸气，可输出不同温度下的饱和湿度气体，实现膜在不同温度条件下的气体透过率测试。

气相色谱仪20的侧面设有进样阀，待测气体通过进样阀进入气相色谱仪，进样阀自动控制气体的进样量，实现对气体浓度的在线监测。

进样阀为六通阀19，可一次控制进样量为1ml。

上述燃料电池膜氢气透过率测试系统的工作过程为：

(1)截取面积为5cm×5cm(s＝25cm²)的正方形燃料电池膜，将其平铺于密封胶圈之间，然后与密封胶圈一起放置于2个半腔夹具中间，利用紧固螺丝钉和螺帽拧紧，测漏通过后，作为气体渗透装置备用；

(2)在左加热罐中注满去离子水，确保加热棒全部淹没，热电偶与温控仪通过连接导线相连，利用连接导管从罐体出气口依次串联压力传感器和气体流量计，压力传感器与稳压控制装置通过导线连接，自左加热罐气体入口出通入氮气，测漏通过后，作为氮气加热罐系统备用；

(3)在右加热罐中重复步骤(2)的操作步骤，自右加热罐气体入口出通入氢气，测漏通过后，将右加热罐作为氢气加热罐系统备用；

(4)开启氮气、氢气阀门，经减压阀减压后分别进入左加热罐和右加热罐，温控仪设定加热温度为75℃(此时对应气体相对湿度为～100％)，待温度显示达到75℃后，通过稳压控制装置调节气体渗透装置左右两侧的气压值为0.05mpa；

(5)待气体渗透装置左右两侧的气压值一致后，开启气相色谱仪，30min后，读取气体流量计的示数(q＝180ml/min)，开启进样阀，测试开始，观察气相色谱仪的出峰信号是否正常。

通过气相色谱读取氢气峰面积值a，利用已建立好的标准曲线校正因子f，求得氢气浓度(ppm)w＝a*f,读出氮气流量计的示数q(ml/min)，则该燃料电池膜的氢气透过率c为：

c＝a×f×q/s(ml/cm²·min)

测试结束，计算得到氮气一侧氢气浓度为2000ppm，则该燃料电池膜在75℃、～100％r.h.下的氢气透过率为c＝2000×10^-6×180/25＝0.0144ml/cm²·min。

实施例2：

一种燃料电池膜氢气透过率测试系统，结构如实施例1所述，不同之处在于，左加热罐1和右加热罐17与半腔夹具的连接管道上分别设置伴热带5，保证气体在传输过程中温度和湿度不会产生变化，球形透明玻璃管内填充氯化钙。

实施例3：

一种燃料电池膜氢气透过率测试系统，结构如实施例1所述，不同之处在于，半腔夹具为不锈钢材质的正方体，半腔夹具的内部空腔形状为正方体或圆柱体，球形透明玻璃管内填充脱脂棉球。

实施例4：

一种燃料电池膜氢气透过率测试系统，结构如实施例1所述，不同之处在于，热电偶设置于左加热罐和右加热罐的中心位置。