快速检测燃料电池堆串漏的系统及方法与流程

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种快速检测燃料电池堆串漏的系统及方法。

背景技术：

根据氢/空质子交换膜燃料电池的工作机理，电堆工作时内部长时间处于高温、高压、潮湿、酸性等相对恶劣的环境，这会加速燃料电池内部各个部件的侵蚀老化，因此，燃料电池在经过长时间运行之后，有可能出现电堆内部破损，包括极板的腐蚀破裂，膜片破损以及密封圈老化失效等故障。一旦出现类似故障，氢气与空气会在单侧流道内发生混合泄漏，当氢气浓度达到一定临界值时，在催化剂作用下，将会导致氢气发生剧烈反应甚至爆炸的危险。然而，氢燃料电池电堆完成成组安装后，由于密封、压紧等工艺要求一般无法再进行拆分检测，很多时候，电堆的内部破损是在电堆工作的过程中发生的，因此无法对故障进行实时检测，以便对燃料电池进行及时关停，而且，在电堆内部发生破损泄漏初期，泄露点通常较小，初期无法准确检测出泄露，同时，检测项目单一，无法确定空气、氢气、水腔之间的串漏，准确性不佳。

为了解决现有技术存在的不足，人们进行了长期的探索，提出了各式各样的解决方案。例如，中国专利文献公开了一种氢燃料电池电堆内部破损泄漏的检测方法及装置[cn201810607227.0]，它包括分别采集燃料电池电堆出口氢气和空气的压力，调节空压机的工作状态，确保电堆内部氢气压力相对高于空气压力。当氢燃料电池发生电堆内部破损泄漏的之后，氢气会在压差作用下向空气侧泄漏，部分氢气会随着空气一起从空气流道排出到电堆外。然后在电堆空气出口处加装一个气体分离器，利用氢气密度比空气小很多的特点，将氢气从空气中分离出来。当空气内包含泄漏氢气时，氢气会在气体分离器上部堆积。在气体分离器上部加装一个氢气浓度传感器，当氢气浓度高于设定值时，传感器发送报警信号，让控制器及时关闭电堆，从而达到故障检测并且安全关闭的目的。

上述方案在一定程度上解决了现有的氢燃料电池检测装置初期无法准确检测出泄露以及无法对故障进行实时检测，以便对燃料电池进行及时关停的问题，但是该方案依然存在着诸多不足，例如：只是检测氢气是否泄露，无法检测出空气、氢气、水腔之间是否发生串漏，检测方法单一，准确性不佳。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提供一种设计合理，结构简单、便于检测的快速检测燃料电池堆串漏的系统。

本发明的目的是针对上述问题，提供一种设计合理，检测效果好的快速检测燃料电池堆串漏的方法。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本快速检测燃料电池堆串漏的系统，包括具有相互独立的氢气腔体、水腔体和空气腔体的燃料电池电堆，氢气腔体上具有相互连通的氢气腔入口和氢气腔出口，水腔体上具有相互连通的水腔入口和水腔出口，空气腔体上具有相互连通的空气腔入口和空气腔出口，氢气腔入口、水腔入口和空气腔入口分别连接有入口阀门，且入口阀门分别和一个氮气注入装置相并联，氢气腔出口、水腔出口和空气腔出口分别连接有出口阀门，且氢气腔出口和出口阀门之间、水腔出口与出口阀门之间以及空气腔出口和出口阀门之间分别设有压力表。

在上述的快速检测燃料电池堆串漏的系统中，氮气注入装置包括高压氮气瓶，高压氮气瓶通过减压阀分别与和氢气腔入口、水腔入口和空气腔入口相连的入口阀门相并联。

在上述的快速检测燃料电池堆串漏的系统中，氢气腔入口和氢气腔出口分别对应设置在燃料电池电堆上端两侧，水腔入口和水腔出口分别对应设置在燃料电池电堆中部两侧，空气腔入口和空气腔出口分别对应设置在燃料电池电堆下端两侧。

在上述的快速检测燃料电池堆串漏的系统中，入口阀门分为第一入口阀门、第二入口阀门和第三入口阀门，且第一入口阀门和氢气腔入口相连，第二入口阀门和水腔入口相连，第三水腔入口和空气腔入口相连；出口阀门分为第一出口阀门、第二出口阀门和第三出口阀门，且第一出口阀门和氢气腔出口相连，第二出口阀门和水腔出口相连，第三水腔出口和空气腔出口相连。

在上述的快速检测燃料电池堆串漏的系统中，第一出口阀门和氢气腔出口之间设有第一压力表，第二出口阀门和水腔出口之间设有第二压力表，第三水腔出口和空气腔出口之间设有第三压力表。

根据上述的快速检测燃料电池堆串漏的系统提供了一种快速检测燃料电池堆串漏的方法，本方法包括以下步骤：

a、打开与氢气腔入口、水腔入口和空气腔入口中任意一个入口相连的入口阀门，通过氮气注入装置向氢气腔体、水腔体和空气腔体中任意一个中腔体内注入氮气，然后关闭上述打开的入口阀门，并记录与注入氮气的腔体相连的出口阀门处的压力表初始数值，间隔设定时间后再次记录该压力表数值；若该数值与初始数值不同，则注入氮气的腔体存在漏气现象；若该数值与初始数值相同，执行下一步骤；

b、依次打开与氢气腔体、水腔体和空气腔体中剩余两个未注入氮气的腔体相连的出口阀门，并记录与注入氮气的腔体相连的出口阀门处的压力表数值，若该数值与初始数值不同，则氢气腔体、水腔体和空气腔体中注入氮气的腔体和开启出口阀门相连的腔体存在串漏现象；若该数值与初始数值相同，打开与注入氮气的腔体相连的出口阀门，排空该腔体内的氮气；

c、重复步骤a和b向氢气腔体、水腔体和空气腔体中剩余两个腔体内注入氮气，直至氢气腔体、水腔体和空气腔体均完成检测过程。

在上述的快速检测燃料电池堆串漏的方法中，步骤a具体包括：

打开第一入口阀门，通过高压氮气瓶向氢气腔体内通入氮气，关闭第一入口阀门，待第一压力表的示数稳定后记录初始数值，间隔设定时间后，再次观察第一压力表的示数值并与初始数值进行对比,若对比的数值存在变化，则判断为氢气腔体存在漏气现象，若对比数值保持不变，执行步骤b。

在上述的快速检测燃料电池堆串漏的方法中，步骤b具体包括：

打开第二出口阀门，间隔设定时间后，观察第一压力表示数值，并将所记录的数值与初始数值进行对比，对比的数值存在变化，则判断为氢气腔体与水腔体之间存在串漏现象；

若对比数值保持不变，则关闭第二出口阀门，打开第三出口阀门，间隔设定时间后，观察第一压力表示数值，并将所记录的数值与初始数值进行对比，若对比的数值存在变化，则判断为氢气腔体与空气腔体之间存在串漏现象，若对比数值保持不变，则打开第一出口阀门，排空氢气腔体内的氮气并使与氢气腔体相连的压力表归零，并执行步骤c。

在上述的快速检测燃料电池堆串漏的方法中，间隔设定时间为8-15min。

在上述的快速检测燃料电池堆串漏的方法中，在步骤a中，通过氮气注入装置向氢气腔体、水腔体和空气腔体中任意一个中腔体内注入高于大气压的氮气。

附图说明

图1是本发明的检测系统的结构示意图；

图2是本发明的检测方法流程图。

图中，燃料电池电堆1、氢气腔体11、氢气腔入口111、氢气腔出口112、水腔体12、水腔入口121、水腔出口122、空气腔体13、空气腔入口131、空气腔出口132、入口阀门2、第一入口阀门21、第二入口阀门22、第三入口阀门23、氮气注入装置3、高压氮气瓶31、减压阀32、出口阀门4、第一出口阀门41、第二出口阀门42、第三出口阀门43、压力表5、第一压力表51、第二压力表52、第三压力表53。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本快速检测燃料电池堆串漏的系统，包括具有相互独立的氢气腔体11、水腔体12和空气腔体13的燃料电池电堆1，氢气腔体11上具有相互连通的氢气腔入口111和氢气腔出口112，水腔体12上具有相互连通的水腔入口121和水腔出口122，空气腔体13上具有相互连通的空气腔入口131和空气腔出口132，其特征在于，氢气腔入口111、水腔入口121和空气腔入口131分别连接有入口阀门2，且入口阀门2分别和一个氮气注入装置3相并联，氢气腔出口112、水腔出口122和空气腔出口132分别连接有出口阀门4，且氢气腔出口112和出口阀门4之间、水腔出口122与出口阀门4之间以及空气腔出口132和出口阀门4之间分别设有压力表5。通过氮气注入装置3依次向氢气腔入口111、水腔入口121、空气腔入口131注入氮气，利用出口阀门4的开合，依次观察压力表5的数值变化，即可快捷方便地检测出氢气腔体11、水腔体12和空气腔体13之间是否存在串漏。

其中，氮气注入装置3包括高压氮气瓶31，高压氮气瓶31通过减压阀32分别与和氢气腔入口111、水腔入口121和空气腔入口131相连的入口阀门2相并联。通过入口阀门2可以分别单独控制氮气进入氢气腔入口111、水腔入口121和空气腔入口131内。

具体地，氢气腔入口111和氢气腔出口112分别对应设置在燃料电池电堆1上端两侧，水腔入口121和水腔出口122分别对应设置在燃料电池电堆1中部两侧，空气腔入口131和空气腔出口132分别对应设置在燃料电池电堆1下端两侧。

详细地，入口阀门2分为第一入口阀门21、第二入口阀门22和第三入口阀门23，且第一入口阀门21和氢气腔入口111相连，第二入口阀门22和水腔入口121相连，第三水腔入口121和空气腔入口131相连；出口阀门4分为第一出口阀门41、第二出口阀门42和第三出口阀门43，且第一出口阀门41和氢气腔出口112相连，第二出口阀门42和水腔出口122相连，第三水腔出口122和空气腔出口132相连。由于氢气腔体11、水腔体12和空气腔体13之间相互封闭，只要打开相对应的出口阀门4，观察相对应的压力表5示数是否变化即可检测出氢气腔入口111、水腔入口121和空气腔入口131之间是否发生串漏。

优选地，第一出口阀门41和氢气腔出口112之间设有第一压力表51，第二出口阀门42和水腔出口122之间设有第二压力表52，第三水腔出口122和空气腔出口132之间设有第三压力表53。通过压力表5的示数是否变化来判断出氢气腔入口111、水腔入口121和空气腔入口131之间是否发生串漏。

如图1-2所示，本快速检测燃料电池堆串漏的系统的快速检测燃料电池堆串漏的方法，包括以下步骤：

a、打开与氢气腔入口111、水腔入口121和空气腔入口131中任意一个入口相连的入口阀门2，通过氮气注入装置3向氢气腔体11、水腔体12和空气腔体13中任意一个中腔体内注入氮气，然后关闭上述打开的入口阀门2，并记录与注入氮气的腔体相连的出口阀门4处的压力表5初始数值，间隔设定时间后再次记录该压力表5数值；若该数值与初始数值不同，则注入氮气的腔体存在漏气现象；若该数值与初始数值相同，执行下一步骤；

b、依次打开与氢气腔体11、水腔体12和空气腔体13中剩余两个未注入氮气的腔体相连的出口阀门4，并记录与注入氮气的腔体相连的出口阀门4处的压力表5数值，若该数值与初始数值不同，则氢气腔体11、水腔体12和空气腔体13中注入氮气的腔体和开启出口阀门4相连的腔体存在串漏现象；若该数值与初始数值相同，打开与注入氮气的腔体相连的出口阀门4，排空该腔体内的氮气；

c、重复步骤a和b向氢气腔体11、水腔体12和空气腔体13中剩余两个腔体内注入氮气，直至氢气腔体11、水腔体12和空气腔体13均完成检测过程。

其中，步骤a具体包括：

打开第一入口阀门21，通过高压氮气瓶31向氢气腔体11内通入氮气，关闭第一入口阀门21，待第一压力表51的示数稳定后记录初始数值，间隔设定时间后，再次观察第一压力表51的示数值并与初始数值进行对比,若对比的数值存在变化，则判断为氢气腔体11存在漏气现象，若对比数值保持不变，执行步骤b。

其中，步骤b具体包括：

打开第二出口阀门42，间隔设定时间后，观察第一压力表51示数值，并将所记录的数值与初始数值进行对比，对比的数值存在变化，则判断为氢气腔体11与水腔体12之间存在串漏现象；若对比数值保持不变，则关闭第二出口阀门42，打开第三出口阀门43，间隔设定时间后，观察第一压力表51示数值，并将所记录的数值与初始数值进行对比，若对比的数值存在变化，则判断为氢气腔体11与空气腔体13之间存在串漏现象，若对比数值保持不变，则打开第一出口阀门41，排空氢气腔体11内的氮气并使与氢气腔体11相连的压力表5归零，并执行步骤c。

具体地，间隔设定时间为8-15min。

详细地，在步骤a中，通过氮气注入装置3向氢气腔体11、水腔体12和空气腔体13中任意一个中腔体内注入高于大气压的氮气。

针对上述的快速检测燃料电池堆串漏的方法，作进一步地步骤说明，具体步骤如下：

s1、打开第一入口阀门21，通过高压氮气瓶31向氢气腔体11内通入高于大气压的氮气，关闭第一入口阀门21，待第一压力表51示数稳定后记录示数值x，等待10分钟后，观察第一压力表51的示数值并与所记录的数值x进行对比,若对比的数值存在变化，则判断为燃料电池电堆1存在泄露现象，若对比数值保持不变，则打开第二出口阀门42，等待10分钟后，观察第一压力表51示数值，并与所记录的数值x进行对比，对比的数值存在变化，则判断为氢气腔体11与水腔体12间存在串漏现象，若对比数值保持不变，则关闭第二出口阀门42，打开第三出口阀门43，等待10分钟后，观察第一压力表51示数值，并与所记录的数值x进行对比，对比的数值存在变化，则判断为氢气腔体11与空气腔体132之间存在串漏现象，对比数值保持不变，则执行步骤s2。

s2、关闭第三出口阀门43，打开第一出口阀门41，待第一压力表51示数值为0时，关闭第一出口阀门41，打开第三入口阀门23，通过高压氮气瓶31向水腔体12内通入高于大气压的氮气，关闭第三入口阀门23，待第三压力表53示数稳定后记录示数值y，等待10分钟后，观察第三压力表53的示数值并与所记录的数值y进行对比,若对比的数值存在变化，则判断为燃料电池电堆1存在泄露现象，若对比数值保持不变，则打开第二出口阀门42，等待10分钟后，观察第三压力表53示数值，并与所记录的数值y进行对比，对比的数值存在变化，则判断为空气腔体132与水腔体12之间存在串漏现象，若对比数值保持不变，则关闭第二出口阀门42，打开第一出口阀门41，等待10分钟后，观察第三压力表53示数值，并与所记录的数值y进行对比，对比的数值存在变化，则判断为空气腔体132与氢气腔体11之间存在串漏现象，对比数值保持不变，说明燃料电池无泄露或串漏现象，最后关闭第一出口阀门41，打开第三出口阀门43，待第三压力表53示数值为0时，完成检测过程。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了燃料电池电堆1、氢气腔体11、氢气腔入口111、氢气腔出口112、水腔体12、水腔入口121、水腔出口122、空气腔体13、空气腔入口131、空气腔出口132、入口阀门2、第一入口阀门21、第二入口阀门22、第三入口阀门23、氮气注入装置3、高压氮气瓶31、减压阀32、出口阀门4、第一出口阀门41、第二出口阀门42、第三出口阀门43、压力表5、第一压力表51、第二压力表52、第三压力表53等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。