一种燃料电池的气密测试装置以及方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池的气密测试装置以及方法。

背景技术

燃料电池汽车由于加氢时间短，续驶里程长，无污染等优点已在商用车领域开始了许多示范应用。同时国内的一些公司开始布局了燃料电池的量产产线，这其中暴露了一些急需改善的问题。燃料电池在开发和生产过程中始终离不开气密仪，其在开发过程中获得电堆密封性随时间和测试条件的变化，内漏的变化可以识别膜的特性等。生产过程中，气密是评估电堆装配是否合格的一项重要指标，也是其它测试的基础。燃料电池气密仪是燃料电池必不可少的设备。

现有气密仪具有以下缺点：测试时间长，量程设置不能兼顾不同片数的电堆，无法快速识别同时出现多项气密不合格的影响因素，不能解耦三腔不同压力下外漏和内漏的解耦。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提一种供燃料电池的气密测试装置以及方法，使用灵活，能够实现电堆的三个腔室的多项测量，能够通过前置法和后置法，对电堆的阳极腔、阴极腔和冷却腔进行外漏和内漏测试，能够实现单独腔室测试或者多个腔室同步测试，提高气密测试效率。

为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池的气密测试装置，用于对电堆的阳极腔、阴极腔和冷却腔这三个腔室进行气密测试，包括气源、供气管系、前控制管系、测试管系、后控制管系、以及进气管系；所述供气管系包括三个并联设置的供气管路，且供气管路上设有压力控制阀和供气开闭阀，所述供气管路与气源相连；所述进气管系包括三个进气管路，且三个进气管路分别与阳极腔、阴极腔和冷却腔连通；所述测试管系包括至少两个流量检测管路、以及至少两个直通管路，所述流量检测管路上设有流量计，所述前控制管系和后控制管系都包括多根管路、以及设置于管路上的连通控制阀；所述前控制管系连接供气管系和测试管系、能够控制供气管路与任一直通管路或流量检测管路相连通，所述后控制管系连接进气管系和测试管系、能够控制进气管路与任一直通管路或流量检测管路相连通；所述气源提供的气体能够依次经过供气管系、前控制管系、测试管系、后控制管系和进气管系对电堆的三个腔室进行充气。

进一步地，所述测试管系中的流量检测管路为四个及以上，且不同流量检测管路中的流量计测量范围不同。

进一步地，还包括控制系统，所述供气开闭阀和连通控制阀都为电磁阀，且都与控制系统相连，所述控制系统还与压力控制阀和流量计都相连。

进一步地，所述控制系统包括操作显示器。

进一步地，所述供气管路上还设有压力测试仪。

进一步地，所述进气管路上还设有释压阀。

本发明还提供一种燃料电池的气密测试方法，用于对电堆的阳极腔、阴极腔和冷却腔这三个腔室进行气密测试，采用上述的气密测试装置进行，所述气密测试方法包括以下一种或者几种测试内容：

A、前置法单腔内漏测试，用于测量电堆中单个腔室的泄漏情况，包括以下步骤：

A1、调节前控制管系和后控制管系中的连通控制阀，使与待测腔室相连的进气管路独立地通过一个流量检测管路与一个供气管路相连通，其中待测腔室为一个或者两个，将与非待测腔室的进气管路独立地通过一个直通管路与一个供气管路相连通，确保三个腔室的供气相独立；

A2、打开三个供气管路上的供气开闭阀，分别对三个腔室进行充气，并通过压力控制阀稳定充气压力，使得与待测腔室相连通的供气管路的充气压力相同并大于环境压力，与非待测腔室相连通的供气管路的充气压力等于环境压力、或者大于环境压力并小于待测腔室的充气压力；三个腔室被独立地充气；

A3、通过与待测腔室相连通的流量检测管路上的流量计，确定待测腔室的泄漏情况，包括待测腔室的外漏、以及待测腔室的与非待测腔室之间的内漏。

B、前置法外漏测试，用于测量单个腔室的外漏，包括以下步骤：

B1、调节前控制管系和后控制管系中的连通控制阀，使与待测腔室相连的进气管路独立地通过一个流量检测管路与一个供气管路相连通，将与非待测腔室的进气管路独立地通过一个直通管路与一个供气管路相连通，确保每个腔室的供气相独立；

B2、打开三个供气管路上的供气开闭阀，分别对三个腔室进行充气，并通过压力控制阀稳定充气压力，使得三个供气管路的充气压力相同并大于环境压力；三个腔室被独立地充气；

B3、通过与待测腔室相连通的流量检测管路上的流量计，确定待测腔室的外漏情况。

C、后置法内漏测试：用于测试一个腔室分别到另外两个腔室的内漏，包括以下步骤：

C1、调节前控制管系和后控制管系中的连通控制阀，使与待测腔室相连的进气管路独立地通过一个直通管路与一个供气管路相连通，将与非待测腔室的进气管路独立地通过一个流量检测管路与一个供气管路相连通，确保每个腔室的供气相独立；

C2、打开三个供气管路上的供气开闭阀，分别对三个腔室进行充气，并通过压力控制阀稳定充气压力，使得与待测腔室相连通的供气管路的充气压力相同并大于环境压力，与两个非待测腔室相连通的供气管路的充气压力等于环境压力；三个腔室被独立地充气；

C3、通过与非待测腔室相连通的流量检测管路上的流量计，确定待测腔室的内漏情况。

D、总外漏测试：用于测量电堆三个腔室的总外漏，包括以下步骤：

D1、调节前控制管系和后控制管系中连通控制阀，使一个供气管路与一个流量检测管路相连通，并使该流量检测管路与三个进气管系都相连通；

D2、打开与三个腔室相连通的进气管系上的供气开闭阀，同时对阳极腔、阴极腔和冷却腔都进行充气；并通过压力控制阀稳定充气压力，且充气压力大于测试环境压力；

D3、通过该流量检测管路上的流量计，确定总外漏情况。

如上所述，本发明涉及的气密测试装置以及方法，具有以下有益效果：

通过设置，括气源、供气管系、前控制管系、测试管系、后控制管系、以及进气管系，能够实现电堆的三个腔室的多项测量，能够通过前置法和后置法，对电堆的阳极腔、阴极腔和冷却腔进行外漏和内漏测试，能够实现单独腔室测试或者多个腔室同步测试，不能解耦三腔不同压力下外漏和内漏的解耦，适用于整堆和短堆，简化了之前靠两个气密仪才能实现的工作；可以降低气密测试的总时间，提高气密测试的循环时间，提高电堆产线的节拍。

附图说明

图1为本发明的气密测试装置的结构示意图。

图2为本发明气密测试装置对两个腔室进行前置法单腔泄漏测试的工作示意图。

图3为本发明气密测试装置对另外两个腔室进行前置法单腔泄漏测试的工作示意图。

图4为本发明气密测试装置进行前置法外漏测试的工作示意图。

图5为本发明气密测试装置进行后置法内漏测试的工作示意图。

图6为本发明气密测试装置进行总外漏测试的工作示意图。

元件标号说明

1电堆

11阳极腔

12阴极腔

13冷却腔

2供气管系

21供气管路

22压力控制阀

23供气开闭阀

24压力测试仪

3前控制管系

4测试管系

41直通管路

42流量检测管路

43流量计

44通断控制阀

5后控制管系

6进气管系

61进气管路

7气源总管

8连通控制阀

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

参见图1至图6，本发明提供了一种燃料电池的气密测试装置，用于对电堆1的阳极腔11、阴极腔12和冷却腔13这三个腔室进行气密测试，所测试内容通常包括单个腔室的外漏、腔室之间的内漏、以及三个腔室的总外漏。

本发明的气密测试装置，包括气源、供气管系2、前控制管系3、测试管系4、后控制管系5、以及进气管系6；供气管系2包括三个并联设置的供气管路21，且供气管路21上设有压力控制阀22和供气开闭阀23，供气管路21与气源相连；进气管系6包括三个进气管路61，且三个进气管路61分别与阳极腔11、阴极腔12和冷却腔13连通；测试管系4包括至少两个流量检测管路42、以及至少两个直通管路41，流量检测管路42上设有流量计43，前控制管系3和后控制管系5都包括多根管路、以及设置于管路上的连通控制阀8；前控制管系3连接供气管系2和测试管系4、能够控制供气管路21与任一直通管路41或流量检测管路42相连通，后控制管系5连接进气管系6和测试管系4、能够控制进气管路61与任一直通管路41或流量检测管路42相连通；气源提供的气体能够依次经过供气管系2、前控制管系3、测试管系4、后控制管系5和进气管系6对电堆1的三个腔室进行充气。其中，流量计43既可以测试正流量也可以测试反方向流量。优选地，在直通管路41和流量检测管路42上都设有通断控制阀44，方便进行对直通管路41和流量检测管路42进行独立地通断控制，避免相互影响。

本发明涉及的气密测试装置，能够对电堆1进行多项测试，能够采用前置法或后置法，对电堆1的三个腔室进行外漏、内漏以及总外漏等项目测量，测试方法包括以下内容：A前置法单腔泄漏测试、B前置法外漏测试、C后置法内漏测试、以及D总外漏测试。

A、前置法单腔内漏测试：参见图2和图3，用于测量电堆1中单个腔室的泄漏情况，包括以下步骤：

A1、调节前控制管系3和后控制管系5中的连通控制阀8，使与待测腔室相连的进气管路61独立地通过一个流量检测管路42与一个供气管路21相连通，所构成的通道(从供气管路21通道延伸至待测腔室的部分)可称为工作充气道，其中待测腔室为一个或者两个，将与非待测腔室的进气管路61独立地通过一个直通管路41与一个供气管路21相连通，所构成通道可称为工作充气道，工作充气道用于气源的气体流通至腔室中，三个腔室的工作充气道保持相独立，确保三个腔室的供气相独立。具体地，参见图2，以阴极腔12和阳极腔11作为待测腔室，冷却腔13为非待测腔，在工作时，与三个腔室相连通的流量检测管路42和直通管路41上的通断控制阀44应打开，而其余的流量检测管路42和直通管路41(如果有的话)上的通断控制阀44则可保持关闭，以确保每个腔室的工作充气道能够保持相独立，且不会相互影响。

A2、打开三个供气管路21上的供气开闭阀23，分别对三个腔室进行充气，并通过压力控制阀22稳定充气压力，使得与待测腔室相连通的供气管路21的充气压力相同并大于环境压力，与非待测腔室相连通的供气管路21的充气压力大于等于环境压力、或者大于环境压力并小于待测腔室的充气压力；三个腔室被独立地充气。具体地，参见图2，阳极腔11和阴极腔12的充气压力设置在100kpag(表压，相对环境压力)，而冷却腔13的充气压力设置在0kpag，也即与电堆1的环境压力一致，图2中高压充气通过管路加粗方式显示。在测试时，需要充气保持稳定状态，具体地，可通过规定时间后，流量计43的流量变化稳定在某个规定范围内，例如3min后，每1min的流量变化小于0.5％RD，来确定充气是否稳定。

A3、通过与待测腔室相连通的流量检测管路42上的流量计43，确定待测腔室的泄漏情况，包括待测腔室的外漏、以及待测腔室的与非待测腔室之间的内漏。具体地，参见图2，由于阳极腔11和阴极腔12内压力一致，相互不会发生内漏，而冷却腔13中压力小，若阳极腔11与冷却腔13之间有内漏、以及阳极腔11具有外漏，则通过阳极腔11对应的流量检测管路42中会产生气体流道，通过其上流量计43的读数，能够确定此事阳极腔11的泄漏出去的气体量，以此确定阳极腔11的泄漏情况，此时的泄漏为阳极腔11自身外漏加上阳极腔11向冷却腔13的内漏。同理地，则通过阴极腔12对应的流量检测管路42上的流量计43的读数，能够确定阴极腔12的泄漏情况。此时，若通过其他方式测试得到阳极腔11自身外漏和阴极腔12自身外漏，则通过相减的方式，可得到阳极腔11向冷却腔13的内漏、以及阴极腔12向冷却腔13的内漏。在其他实施例中，当非待测腔室大于环境压力并小于待测腔室的充气压力时，在测量过程中非待测腔室也会具有一定的外漏，此时待测腔室的泄漏受到非待测腔室的外漏的影响，在后续得到非待测腔室的外漏后，可将该部分去除，消除非待测腔室的外漏的影响，亦可得到待测腔室的泄漏加上其与与非待测腔室之间的内漏。

对于待测腔室为一个的情况下，例如若待测腔室只是阳极腔11时，其测试原理相同与图2中的基本相同的，所得到待测腔室的泄漏情况包括三部分，分别为阳极腔11自身外漏、阳极腔11向冷却腔13的内漏、以及阳极腔11向阴极腔12的内漏。

图2中完成了对阳极腔11和阴极腔12的测试，然后可切换待测腔室，将阳极腔11和冷却腔13作为待测腔室，参见图3，此时只需要调节前控制管系3和后控制管系5中的相应连通控制阀8，将阴极腔12上的进气管路61改成通过一个直通管路41与一个供气管路21相连通，将冷却腔13上的进气管路61改成通过一个流量检测管路42与一个供气管路21相连通即可，此时得到为阳极腔11自身外漏加阳极腔11向阴却腔的内漏，以及冷却腔13自身外漏加冷却腔13向阴极腔12的内漏。

以此，通过上述的A前置法单腔泄漏测试，能够完全对电堆1三个腔室的泄漏测量，每次能够只测试单个腔室，也可以两个腔室同时测试。在本部分中，由于流量计43在测量时，位于腔室的高压侧，其所处的管路压力大于环境压力，因此称为前置法测量。

B、前置法外漏测试：参见图4，用于测量单个腔室的外漏，包括以下步骤：

B1、调节前控制管系3和后控制管系5中的连通控制阀8，使与待测腔室相连的进气管路61独立地通过一个流量检测管路42与一个供气管路21相连通，所构成的通道可称为工作充气道，将与非待测腔室的进气管路61独立地通过一个直通管路41与一个供气管路21相连通，所构成的通道可称为工作充气道，确保每个腔室的供气相独立。其中，待测腔室可以为一个或者两个，当测试管系4包括三个以及以上的流量检测管路42时，待测腔室也可以为三个，此时没有非待测腔室。具体地，参见图4，以阳极腔11和冷却腔13作为待测腔室为例，阴极腔12为非待测腔，在工作时，与三个腔室相连通的流量检测管路42和直通管路41上的通断控制阀44应打开，而其余的流量检测管路42和直通管路41(如果有的话)上的通断控制阀44则可保持关闭，以确保每个腔室的工作充气道能够保持相独立，且不会相互影响。

B2、打开三个供气管路21上的供气开闭阀23，分别对三个腔室进行充气，并通过压力控制阀22稳定充气压力，使得三个供气管路21的充气压力相同并大于环境压力；三个腔室被独立地充气。具体地，参见图4，充气压力都设置在200kpag，图4中高压充气通过管路加粗方式显示。

B3、通过与待测腔室相连通的流量检测管路42上的流量计43，确定待测腔室的外漏情况。具体地，参见图4，由于阳极腔11、阴极腔12和冷却腔13三者内压力一致，相互不会发生内漏，具有外漏时，会发生气体流动，通过三个腔室对应流量检测管路42上的流量计43反映的为外漏的气体量，因此通过对应流量计43的读数，确定三个腔室的外漏情况。

以此，通过上述B前置法外漏测试部分，能够得到每个腔室的外漏情况，结合上述的A前置法单腔泄漏测试部分的数据，则可确定任一腔室向另外两个腔室的内漏情况。在本测试部分中，由于流量计43在测量时，位于腔室的高压侧，其所处的管路压力大于环境压力，因此也为前置法测量。

C、后置法内漏测试：参见图5，用于测试一个腔室分别到另外两个腔室的内漏，包括以下步骤：

C1、调节前控制管系3和后控制管系5中的连通控制阀8，使与待测腔室相连的进气管路61独立地通过一个直通管路41与一个供气管路21相连通，所形成的通过可称为工作充气道，将与非待测腔室的进气管路61独立地通过一个流量检测管路42与一个供气管路21相连通，所形成的通过可称为工作充气道，三个腔室的工作充气道相互独立，确保每个腔室的供气相独立。具体地，参见图5，以阴极腔12作为待测腔室为例，阳极腔11和冷却腔13为非待测腔室，在工作时，与三个腔室相连通的流量检测管路42和直通管路41上的通断控制阀44应打开，而其余的流量检测管路42和直通管路41(如果有的话)上的通断控制阀44则可保持关闭，以确保每个腔室的工作充气道能够保持相独立，且不会相互影响。

C2、打开三个供气管路21上的供气开闭阀23，分别对三个腔室进行充气，并通过压力控制阀22稳定充气压力，使得与待测腔室相连通的供气管路21的充气压力相同并大于环境压力，与两个非待测腔室相连通的供气管路21的充气压力等于环境压力；三个腔室被独立地充气。具体地，参见图5，阳极腔11和冷却腔13的充气压力设置在0kpag，与环境压力相同，而阴极腔12的充气压力设置在100kpag，图5中高压充气通过管路加粗方式显示。

C3、通过与非待测腔室相连通的流量检测管路42上的流量计43，确定待测腔室的内漏情况。具体地，参见图5，由于阳极腔11和冷却腔13内压力与环境压力一致，不会发生外漏问题，而阴极腔12中压力大于阳极腔11压力，若阴极腔12与阳极腔11之间有泄漏，则阴极腔12内会有气体进入阳极腔11中，会产生向阳极腔11对应的流量计43方向的气体流动，而流量计43的读数只反映了由阴极腔12内漏到阳极腔11的气体量，因此，通过阳极腔11对应流量检测管路42上的流量计43的读数，确定阴极腔12向阳极腔11的内漏。同理地，通过冷却腔13对应的流量检测管路42上的流量计43的读数，确定阴极腔12向冷却腔13的内漏。

图5的示例中给出了对阴极腔12的内漏测试，当需要对阳极腔11或冷却腔13测试时，通过调节调节前控制管系3和后控制管系5中的连通控制阀8即可，使阳极腔11或冷却腔13作为待测腔室，操作灵活方便。

在本测试部分中，由于流量计43在测量时，位于腔室的低压侧，其所处的管路压力为环境压力，因此称为后置法测量。

D、总外漏测试：用于测量电堆1三个腔室的总外漏，参见图5，包括以下步骤：

D1、调节前控制管系3和后控制管系5中连通控制阀8，使一个供气管路21与一个流量检测管路42相连通，并使该流量检测管路42与三个进气管系6都相连通。

D2、打开与三个腔室相连通的进气管系6上的供气开闭阀23，同时对阳极腔11、阴极腔12和冷却腔13都进行充气，并通过压力控制阀22稳定充气压力，且充气压力大于测试环境压力。

D3、通过该流量检测管路42上的流量计43，确定总外漏情况。参见图5，由于阳极腔11、阴极腔12和冷却腔13内压力都相同，不会发生内漏问题，因此，阳极腔11、阴极腔12和冷却腔13出现外漏时，都会所连通的流量检测管路42内产生气体流动，因此通过流量检测管路42上的流量计43，能够确定三个腔室的总外漏。

在本部分测试中，由于流量计43在测量时，位于腔室的高压侧，其所处的管路压力大于环境压力，因此也为前置法测量。

在上述的各项测试时，通过流量计43读数进行测量时，需要充气保持稳定状态，具体地，可通过规定时间后，流量计43的流量变化稳定在某个规定范围内，例如3min后，每1min的流量变化小于0.5％RD，来确定充气是否稳定。

作为优选设计，在本实施例中，参见图1，测试管系4中的流量检测管路42为四个及以上，且不同流量检测管路42中的流量计43测量范围不同，因此，在进行测试时，可以根据实际情况，选择具有合适测量范围的流量计43的流量检测管路42，按照精度最高为原则，例如大流量所测流量值低于其有效流量则切换到小流量计43。其中，直通管路41也可以为多个，能够方便进行切换。

作为优选设计，在本实施例中，参见图1，还包括控制系统，供气开闭阀23、通断控制阀44和连通控制阀8都为电磁阀，且都与控制系统相连，控制系统还与压力控制阀22和流量计43都相连。以此，通过控制系统能够控制供气开闭阀23、通断控制阀44和连通控制阀8的自动切换，能够控制压力控制阀22的自动调节，从而实现测试工作的远程自动控制。进一步，在供气管路21上还设有压力测试仪24，压力测试仪24优选为压力传感器，并与控制系统连接，将检测信号输入到控制系统中。

优选地，控制系统中包括智能的操作显示器，具有UI界面，UI界面有清晰的界面操作和显示功能，能够显示供气管路21中压力曲线、以及流量计43的流量曲线(根据测试时使用的不同的流量检测管路42，显示相应的流量名称)，具有记录曲线数据功能，方便操作人员的操作和计算。通过UI界面可实现压力控制，可以通过界面输入压力，或者由相应的测试配置文件定义，来控制连通控制阀8进行压力设置。可以通过UI编写测试流程配置文件，定义好测试内容，按照测试配置文件自动测试，或者定义好某些单一测试应用。已定义好的测试配置文件，包括测试时的管路连通情况、以及压力设定情况，可自动判定充气稳定稳定(3min后，每1min的流量变化小于0.5％RD)。

在本实施例中，参见图1作为优选设计，进气管路61上还设有释压阀(附图中未示出)，同时有最高压力和压差保护，从而能够保护电堆1中的三个腔室，避免充气压力过大而损伤腔室。优选地，气密测试装置还包括用于测试环境压力的温度湿度的仪器仪表，用于作为电堆1中腔室气密性计算评估时的参考数据。

在本发明中，气源的气体种类可以为多种，具体可采用空气，氮气，氢气，或氦气等。优选地，可设置多个具有不同气体的气源，供气管系2通过气源总管7与不同气源都保持连接，在工作时，也可以通过UI界面选择所用测试气体种类，可以设置所有流量计43的测试气体，简化测试过程。

在本发明中，前控制管系3和后控制管系5中的管路和连通控制阀8的具体布置形式并不限于图1中所示例子，也可以按照其他形式布置，要求能够其对应功能即可，能够通过调节相应的连通控制阀8，能够控制供气管路21与任一直通管路41或流量检测管路42相连通、以及控制进气管路61与任一直通管路41或流量检测管路42相连通。

由上可知，本发明的燃料电池的气密测试装置及方法，具有以下有益效果：

1、能够实现多项测量，能够通过前置法和后置法，对电堆1的阳极腔11、阴极腔12和冷却腔13进行外漏和内漏测试，能够实现单独腔室测试或者多个腔室同步测试，和三腔不同压力下外漏和内漏的解耦，使用灵活。

2、可以根据不同实际测试情况选择不同的流量计43，扩大了应用范围，适用于不同片数的整堆和短堆，简化了之前靠两个气密仪才能实现的工作。

3、通过UI截面，可以快速通过界面定义测试用气体种类，切换测试对象，设定压力，切换前置和后置测量，测试用规范，可以达到稳定和适应多种燃料电池气密测试场景。

4、在适配合适气体和流量计43范围下，可以降低气密测试的总时间，提高气密测试的循环时间，提高电堆1产线的节拍。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。