隔膜的气密性检测方法与流程

1.本发明属于隔膜气密性检测技术领域，具体涉及用于水电解制氢装置中的隔膜的气密性检测方法。


背景技术：

2.隔膜通常用在制氢装置或过滤装置中。用于水电解制氢装置中的隔膜的材质通常为石棉布，这种材质的隔膜的气密性目前采用中华人民共和国建材行业标准jc/t211-2009 隔膜石棉布中的气密性测定装置来测定。该装置包括：上下两端开口、底端设有底部法兰的上部圆筒，顶端开口并设有顶部法兰、底端封闭的下部圆筒，下部圆筒的下端侧壁上设置有进水管和出水管，进水管上设有进水阀、出水管上设有出水阀，下部圆筒的上端侧壁上设置有一个u形的压力指示管。当需检测新研发出的隔膜的气密性能的好坏时，具体检测方法为：一、安装：将待检测的隔膜夹在上部圆筒的底部法兰和下部圆筒的顶部法兰之间，并且上部圆筒和下部圆筒通过底部法兰和顶部法兰密封对接，隔膜将上部圆筒和下部圆筒的内腔分隔；二、检测：进水阀、出水阀均关闭，在待检测的隔膜和上部圆筒形成的上部空间中加入定量的水，打开进水阀，水进入下部圆筒与待检测的隔膜形成的下部空间中，随着下部空间中的气体的体积逐渐减少，下部空间中的压力逐渐变大，u形的压力指示管中就会出现液位差，当上部空间的水中出现第一个气泡时，记录此时的u形的压力指示管中的液位差为h1；三、做平行实验：将已知气密性能的隔膜夹在上部圆筒的底部法兰和下部圆筒的顶部法兰之间，重复检测步骤，当上部空间的水中出现第一个气泡时，记录此时的u形的压力指示管中的液位差为h2，当h1大于h2时，判断待检测隔膜的气密性能比已知气密性的隔膜好，反之，当h1小于h2时，判断待检测隔膜的气密性能比已知气密性的隔膜差。
3.目前，工业上常用的水电解制氢装置包括：两端连接电源的制氢电解槽，制氢电解槽中安装有：将制氢电解槽分成阳极区域和阴极区域的隔膜，阳极区域中安装有电极阳极，阴极区域中安装有电极阴极，制氢电解槽工作时，槽中装有电解液，电解液通常氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液。接通电源后，阳极区域中产生氧气，阴极区域中产生氢气，水电解制氢装置工作的过程中，制氢电解槽中的隔膜需要满足水电解制氢装置的气密性要求，防止阴极区域中的氢气和阳极区域中的氧气互串而造成危险。
4.水电解制氢装置工作时，是将电解液中的水电解成氧气和氢气，氢气的产量是氧气产量的2倍，隔膜竖向放置并且始终浸没在制氢电解槽中的电解液中。根据水电解制氢装置采用的电源不同，制氢装置中的压力有额定压力和可变压力两种。若水电解制氢装置采用稳定电压的电源，则制氢装置中的压力有1.6 mpa和3.2 mpa两种额定压力；如电源是由可再生能源如风能、太阳能提供，由于可再生能源产生的电能一直在发生变化，制氢装置中电功率因此需要高频可调，则水电解制氢装置中的压力在0.1～3.2mpa的压力范围内变化；而且水电解制氢装置工作时，隔膜两侧的阴极区域和阳极区域的压差不超过0.1kpa。
5.由上可知，水电解制氢装置中隔膜的工作条件和jc/t211-2009标准中的气密性测定装置的工作条件不同：一、水电解制氢装置工作的压力范围在0.1～3.2mpa之间，隔膜两
侧阴极区域和阳极区域中的压差不超过0.1kpa，而jc/t211-2009标准中的气密性测定装置工作时，上部空间中的压力为常压，下部空间中的压力会大于上部空间中的压力，隔膜两侧的压差较大。二、工业上的水电解制氢装置中的隔膜竖向放置、且始终被浸没在电解液中，而jc/t211-2009标准中的气密性测定装置中的隔膜水平放置、且上面和水接触、下面和空气接触。可见，由于隔膜气密性测定装置的检测工作条件与隔膜实际使用时的工作条件存在较大差异，导致隔膜在气密性测定装置中所表现的气密性能与在水电解制氢装置中所表现的气密性能也会存在较大差异，利用jc/t211-2009标准中的气密性测定装置及其检测方法测定的待检测的隔膜的气密性结果来判断该隔膜是否能用在水电解制氢装置中，也就会存在较大的误差。


技术实现要素：

6.本发明的目的是：提供一种隔膜的气密性检测方法，该气密性检测方法能模拟隔膜在水电解制氢装置中的工作条件，采用该气密性检测方法对待检测隔膜进行检测，能检测出待检测隔膜适用的安全工作压力范围，能够判断待检测隔膜能否用在额定压力或可变压力的水电解制氢装置中。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是： 隔膜的气密性检测方法，包括以下步骤：步骤一：安装：将已知能够用于额定压力为1.6mpa和3.2mpa的水电解制氢装置中的用以比对的隔膜安装在密闭的容器中，用以比对的隔膜竖向设置、且将容器内腔分隔成氧侧空间和氢侧空间，打开与氧侧空间连通的氧侧排放管上的氧侧截止阀，氧侧空间能与外界连通，打开与氢侧空间连通的氢侧排放管上的氢侧截止阀，氢侧空间能与外界连通；步骤二：加电解液：将电解液加入容器内腔，直至电解液将用以比对的隔膜浸没；步骤三：通气体：使氧气经与氧侧空间连通的氧侧进气管进入氧侧空间内的电解液中、使氢气经与氢侧空间连通的氢侧进气管进入氢侧空间内的电解液中，控制进入氢侧空间的氢气的流量为进入氧侧空间的氧气流量的2倍；在此步骤中，控制氢侧空间内的压力大于常压并且小于0.2mpa，氧侧空间的压力不小于氢侧空间的压力、且两侧压力差小于0.1kpa；步骤四：升压测试：控制氧侧截止阀和氢侧截止阀的开度，使得氧侧空间和氢侧空间内的压力逐渐上升，在压力上升的过程中，保持氧侧空间的压力不小于氢侧空间的压力、且两侧压力差小于0.1kpa，当氢侧空间内的压力达到0.2mpa后，就在此状态下稳定运行5～15min后检测此状态下氧侧排放管中的气体中氢气的含量和氢侧排放管中的气体中氧气的含量，并记录数据，随后控制压力继续上升，且氢侧空间内的压力每向上升高设定的压力值，就在此状态下稳定运行5～15min后检测此状态下氧侧排放管中的气体中氢气的含量和氢侧排放管中的气体中氧气的含量，并按顺序分别记录数据，最终直至氢侧空间内压力达到3.2mpa、并在此状态下稳定运行5～15min后，检测此状态下氧侧排放管中的气体中氢气的含量和氢侧排放管中的气体中氧气的含量并分别记录；这样，通过上述操作过程，氧侧排放管中的气体中氢气的含量数据会形成氧侧比对数据组，氢侧排放管中的气体中氧气的含量数据会形成氢侧比对数据组；步骤五：平行测试：将容器中用以比对的隔膜拆除，将待检测的隔膜安装在容器
中，待检测的隔膜竖向设置，然后重复上述步骤二加电解液、步骤三通气体步骤，然后进行步骤四的升压测试步骤，但不同之处在于：在升压测试步骤中，会出现两种情况：第一种为：在压力逐渐上升过程中，当压力上升至某个压力值时，如测得氧侧排放管中的气体中氢气的含量超过设定值、或者测得氢侧排放管中的气体中氧气的含量超过设定值，记录此时的压力值，并结束测试，这种情况表明待检测隔膜只能在小于该压力值的安全工作压力范围内使用；第二种为：在压力逐渐上升过程中，测得的氧侧排放管中的气体中氢气的含量、或者测得氢侧排放管中的气体中氧气的含量均未超过设定值，则直至氢侧空间内压力达到3.2mpa、并保持此状态5～15min后检测氧侧排放管中的气体中氢气的含量、氢侧排放管中的气体中氧气的含量并分别记录，结束测试，这种情况表明待检测隔膜能在0.1 ～3.2 mpa压力范围内使用；这样，通过上述的平行测试过程，氧侧排放管中的气体中氢气的含量数据会形成氧侧待测数据组，氢侧排放管中的气体中氧气的含量数据会形成氢侧待测数据组；步骤六：对比分析：具体方法为：如果待检测隔膜在升压测试步骤中出现第二种情况，则当氧侧待测数据组中的每个数据均小于氧侧比对数据组中的对应数据、氢侧待测数据组中的每个数据均小于氢侧比对数据组中的对应数据，这就表明待检测隔膜在0.2～3.2mpa的压力范围内的气密性均好于用于比对的隔膜的气密性，则待检测的隔膜可用于1.6 mpa和3.2 mpa两种额定压力的水电解制氢装置中，也可用在可变压力的水电解制氢装置中；当氧侧待测数据组前段中各数据小于氧侧比对数据组前段中的对应数据、氧侧待测数据组后段中各数据大于氧侧比对数据组后段中的对应数据，且当氢侧待测数据组前段中各数据小于氢侧比对数据组前段中的对应数据、氢侧待测数据组中后段中各数据大于氧侧比对数据组后段中的对应数据，表明待检测隔膜在与前段数据对应的前段压力范围内的气密性好于用于比对的隔膜的气密性，可将待检测隔膜用在额定压力在前段压力范围内的水电解制氢装置中；如果待检测隔膜在升压测试步骤中出现第一种情况，只需将检测到的待检测隔膜的安全工作压力范围内的氧侧待测数据组及氢侧待测数据组与比对隔膜在该安全工作压力范围内的对应的数据一一对比，对比分析的方法与第二种情况的对比分析方法相同。
8.进一步地，前述的隔膜的气密性检测方法，其中：步骤四中，设定的压力值为0.1mpa。
9.进一步地，前述的隔膜的气密性检测方法，其中：步骤五中，氧侧排放管中的气体中氢气的含量的设定值和氢侧排放管中的气体中氧气的含量的设定值均为2%。
10.进一步地，前述的隔膜的气密性检测方法，其中：在氧侧截止阀前端的氧侧排放管上连通有氧侧检测管，氧侧检测管上设置有氧检测阀和氢气含量分析仪，在氢侧截止阀前端的氢侧排放管上连通有氢侧检测管，氢侧检测管上设置有氢检测阀和氧气含量分析仪，容器上还设置有检测氧侧空间内压力的氧侧压力变送器和检测氢侧空间内压力的氢侧压力变送器，氧侧截止阀、氢侧截止阀均为电动调节阀，氧侧压力变送器、氢侧压力变送器、氧侧截止阀、氢侧截止阀、氢气含量分析仪、氧气含量分析仪均和控制器电信号连接。
11.进一步地，前述的隔膜的气密性检测方法，其中：步骤一中的用以比对的隔膜和步骤五中的待检测的隔膜均在电解液中浸泡24小时后，再进行安装。
12.进一步地，前述的隔膜的气密性检测方法，其中：所述的容器包括氧侧容器和氢侧容器，氧侧容器和氢侧容器均为一端封闭，另一端开口的管材；安装时，待隔膜竖向设置、且
被夹在氧侧容器的开口和氢侧容器的开口之间，并且氧侧容器的开口和氢侧容器的开口密封对接，隔膜将氧侧容器的内腔和氢侧容器的内腔分隔。
13.进一步地，前述的隔膜的气密性检测方法，其中：氧侧容器和氢侧容器均呈卧式水平放置状态。
14.进一步地，前述的隔膜的气密性检测方法，其中：氧侧进气管的出口端伸入氧侧空间底部，氢侧进气管的出口端伸入氢侧空间底部。
15.进一步地，前述的隔膜的气密性检测方法，其中：在步骤二完成后，先进行氮气置换，用氮气将容器以及各管道中的空气置换掉，氮气置换结束后，再进行步骤三的操作。
16.本发明的优点是：隔膜的气密性检测方法模拟了隔膜在水电解制氢装置中的工作条件，能检测出待检测隔膜适用的压力范围，且能够通过平行实验判断待检测隔膜和用以比对的隔膜的气密性的优劣，从而能够判断待检测隔膜能否用在额定压力或可变压力的水电解制氢装置中，进而提高水电解制氢装置的生产的氢气和氧气的纯度。
附图说明
17.图1为适用于本发明所述的隔膜的气密性检测方法的容器的结构原理示意图。
具体实施方式
18.下面结合优选实施例对本发明作进一步的详细说明。
19.隔膜的气密性检测方法，包括以下步骤：步骤一：安装：将已在电解液中浸泡好、已知能够用于额定压力为1.6mpa和3.2mpa的水电解制氢装置中的用以比对的隔膜安装在四周封闭的容器中，用以比对的隔膜竖向设置、且将容器内腔分隔成氧侧空间1和氢侧空间2，打开与氧侧空间1连通的氧侧排放管3上的氧侧截止阀31，氧侧空间1能与外界连通，打开与氢侧空间2连通的氢侧排放管4上的氢侧截止阀41，氢侧空间2能与外界连通。
20.步骤二：加电解液：将电解液加入容器内腔，直至电解液将用以比对的隔膜浸没，由于电解液可透过隔膜流动，氧侧空间、氢侧空间中的电解液的高度保持相同，在本实施例中，打开与氧侧空间1连通的氧侧进气管11上的氧气进气阀12，或者打开与氢侧空间2连通的氢侧进气管21上的氢气进气阀22，加入电解液。
21.步骤三：通气体：打开氧气进气阀12使氧气经氧侧进气管11进入氧侧空间1内的电解液中、打开氢气进气阀22使氢气经氢侧进气管21进入氢侧空间2内的电解液中，并控制进入氢侧空间2的氢气的流量为进入氧侧空间1的氧气流量的2倍，在此步骤中，由于氢气经与氢侧空间连通的氢侧进气管11不断进入氢侧空间2，使得即使氢侧截止阀41全开，氢侧空间2中的压力也会大于常压（0.1mpa），控制氢侧空间2内的压力小于0.2mpa，氧侧空间1的压力不小于氢侧空间2的压力、且两侧压力差小于0.1kpa。
22.步骤四：升压测试：保持进入氢侧空间2的氢气流量为进入氧侧空间1的氧气流量的2倍，控制氧侧截止阀31和氢侧截止阀41的开度，使得氧侧空间1和氢侧空间2内的压力逐渐上升，当氢侧空间2内的压力达到0.2mpa后，就在此状态下稳定运行5～15min后检测此状态下氧侧排放管3中的气体中氢气的含量并记为a0.2和氢侧排放管4中的气体中氧气的含量并记为b0.2，随后控制压力继续上升，且氢侧空间2内的压力每向上升高设定的压力值，
就在此状态下稳定运行5～15min后检测此状态下氧侧排放管3中的气体中氢气的含量和氢侧排放管4中的气体中氧气的含量，并按顺序分别记录数据，最终直至氢侧空间2内压力达到3.2mpa，并在此状态下稳定运行5～15min后，检测此状态下氧侧排放管3中的气体中氢气的含量并记为a3.2和氢侧排放管4中的气体中氧气的含量并记为b3.2。显然，通过上述的操作过程，氧侧排放管3中的气体中氢气的含量数据会形成一组a0.2～a3.2的数据，氢侧排放管4中的气体中氧气的含量数据会形成一组b0.2～b3.2的数据，为了便于描述，将一组a0.2～a3.2数据称为氧侧比对数据组，一组b0.2～b3.2的数据称为氢侧比对数据组。在升压过程中，保持氧侧空间1的压力不小于氢侧空间2的压力、且两侧压力差小于0.1kpa。
23.步骤五：平行测试：将容器中用以比对的隔膜拆除，将已在电解液中浸泡好的待检测的隔膜安装在容器中，待检测的隔膜竖向设置、且将容器内腔分隔成氧侧空间1和氢侧空间2，然后重复上述步骤二加电解液、步骤三通气体步骤，然后进行步骤四的升压测试步骤，但不同之处在于：在升压测试步骤中，会出现两种情况：第一种为：在压力逐渐上升过程中，当压力上升至某个压力值时（通常对待检测的隔膜在进行检测时，这个压力值会达到1.0mpa以上），如测得氧侧排放管3中的气体中氢气的含量超过设定值、或者测得氢侧排放管4中的气体中氧气的含量超过设定值，则记录此时的压力值，并结束测试，这种情况表明待检测隔膜只能在小于该压力值的安全工作压力范围内使用，并且这种情况下能按顺序记录得到待检测隔膜在安全工作压力范围内的一组氧侧排放管中的气体中氢气的含量数据、以及一组氢侧排放管中的气体中氧气的含量数据；第二种为：在压力逐渐上升过程中，测得的氧侧排放管3中的气体中氢气的含量、或者测得氢侧排放管4中的气体中氧气的含量均未超过设定值，则直至氢侧空间2内压力达到3.2mpa、并保持此状态5～15min后检测氧侧排放管3中的气体中氢气的含量并记为c3.2、氢侧排放管4中的气体中氧气的含量并记为d3.2，结束测试，这种情况表明待检测隔膜能在0.1 ～3.2 mpa压力范围内使用，这种情况下能按顺序记录得到一组氧侧排放管3中的气体中氢气的含量数据并记为c0.2～c3.2、一组氢侧排放管4中的气体中氧气的含量数据并记为d0.2～d3.2。为了便于描述，将平行测试的过程中得到的氧侧排放管3中的气体中氢气的含量数据称为氧侧待测数据组、氢侧排放管4中的气体中氧气的含量数据称为氢侧待测数据组。
24.步骤六：对比分析：将平行测试中得到待检测隔膜的氧侧待测数据组、氢侧待测数据组与步骤三、步骤四中得到的用以比对的隔膜的氧侧比对数据组、氢侧比对数据组一一对比，具体方法为：如果待检测隔膜在升压测试步骤中出现第二种情况，则形成一组c0.2～c3.2的氧侧待测数据组和一组d0.2～d3.2的氢侧待测数据组；当c组中的每个数据均小于a组中的对应数据，且d组中的每个数据均小于b组中的对应数据，这就表明待检测隔膜在0.2～3.2mpa的压力范围内的气密性均好于用于比对的隔膜的气密性，则待检测的隔膜可用于1.6 mpa和3.2 mpa两种额定压力的水电解制氢装置中，也可用在可变压力的水电解制氢装置中，使得产生的氢气和氧气的纯度更高；当c组前段中各数据小于a组前段中的对应数据、c组后段中各数据大于a组后段中的对应数据，且d组前段中各数据小于b组前段中的对应数据、d组后段中各数据大于b组后段中的对应数据，例如c0.2～c2.0中各数据均小于a0.2～a2.0中的对应数据、d0.2～d2.2中各数据均小于b0.2～b2.2中的对应数据、c2.1～c3.2中各数据均大于a2.1～a3.2中的对应数据、d2.3～d3.2中各数据均大于b2.3～b3.2中的对应数据，表明待检测隔膜在0.2～2.0mpa压力范围内的气密性好于用于比对的隔膜的气密性，
可将待检测隔膜用在额定压力为1.6mpa的水电解制氢装置中，使得产生的氢气和氧气的纯度更高；如果待检测隔膜在升压测试步骤中出现第一种情况，只需将检测到的待检测隔膜的安全工作压力范围内的氧侧待测数据组和氢侧待测数据组与比对隔膜在该安全工作压力范围内的对应的数据一一对比，对比分析的方法与第二种情况的对比分析方法相同。
25.在本实施例中，氢侧空间2内的压力从0.2 mpa上升至3.2mpa过程中，设定的压力值为0.1 mpa，即氢侧空间2内的压力每向上升高0.1 mpa，就在此状态下稳定运行10min后检测此状态下氧侧排放管3中的气体中氢气的含量和氢侧排放管4中的气体中氧气的含量，并按顺序记录数据，最终直至氢侧空间2内压力达到3.2mpa，在此状态下稳定运行10min后，检测此状态下氧侧排放管3中的气体中氢气的含量和氢侧排放管4中的气体中氧气的含量，采用这种方法能采集到足够的数据，经对比分析后能够全面反映待检测隔膜与用以比对的隔膜的气密性能的优劣，从而能够判断待检测隔膜能否用在额定压力或可变压力的水电解制氢装置中，进而提高水电解制氢装置生产的氢气和氧气的纯度。在本实施例中，在步骤一和步骤五中安装隔膜以前，可将用以比对的隔膜或待检测的隔膜在电解液中浸泡24小时，使其被电解液浸透，然后再进行安装，这样电解液可顺畅透过隔膜流动。
26.在本实施例中的步骤五中，氧侧排放管3中的气体中氢气的含量的设定值和氢侧排放管4中的气体中氧气的含量的设定值均为2%。
27.在本实施例中，为了便于描述，将氧侧排放管3和氢侧排放管4的靠近容器的一端称为前端，与外界连通的一端称为末端。为了便于检测氧侧排放管3中的气体中氢气的含量和氢侧排放管4中的气体中氧气的含量，在氧侧截止阀31前端的氧侧排放管3上连通有氧侧检测管5，氧侧检测管5上设置有氧检测阀51和氢气含量分析仪52，在氢侧截止阀41前端的氢侧排放管4上连通有氢侧检测管6，氢侧检测管6上设置有氢检测阀61和氧气含量分析仪62。容器上还设置有检测氧侧空间1内压力的氧侧压力变送器13和检测氢侧空间2内压力的氢侧压力变送器23，氧侧截止阀31、氢侧截止阀41均为电动调节阀，氧侧压力变送器13、氢侧压力变送器23、氧侧截止阀31、氢侧截止阀41、氢气含量分析仪52、氧气含量分析仪62均和控制器电信号连接，这样便于控制氧侧空间1和氢侧空间2中的压力，能保持两侧的压差在允许范围内，从而实现压力从0.2mpa逐渐上升至3.2mpa，且每上升0.1 mpa，均保持此状态10min再上升的操作。
28.在本实施例中，在步骤二完成后，由于容器和各管道中会有残留的空气，可用氮气将容器以及各管道中的空气置换掉，这样能防止步骤三通气体时进入氧侧空间1中的氧气、进入氢侧空间2中的氢气和残留的空气发生反应。氮气置换结束后再通气体，使得氧侧截止阀31和氢侧截止阀41保持全开一段时间，通常为5min，使得容器和各管道中的氮气均被置换再进行下一步操作。
29.采用隔膜的气密性检测方法检测隔膜的气密性能时，氧侧空间1中的压力略高于氢侧空间2中的压力，但是氧侧空间1和氢侧空间2的压力差不超过0.1kpa。氧侧压力变送器13、氢侧压力变送器23将测得的结果及时反馈给控制器、然后控制器再控制氧侧截止阀31、氢侧截止阀41调节压差直至调节完毕，这些步骤需要一定时间，通常为15s左右。因此，将氧气侧和氢气侧的开始调节的压差设定为一个较小的值，通常为0.05 kpa，当控制器通过氧侧压力变送器13、氢侧压力变送器23测得氧气侧和氢气侧的压差大于0.05 kpa时，控制器就会控制氧侧截止阀31、氢侧截止阀41自动调节开度，从而最终使得氧气侧和氢气侧的压
差不超过0.1kpa。
30.在本实施例中，为了便于安装隔膜，也为了更好地模拟隔膜在水电解制氢装置中的实际工况，所述的容器包括氧侧容器和氢侧容器，氧侧容器和氢侧容器均为一端封闭，另一端开口的管材，且氧侧容器和氢侧容器均呈卧式水平放置状态。实际制造时，氧侧容器和氢侧容器的开口处设置有连接法兰，这种结构的氧侧容器和氢侧容器不仅易于制造，且能承受一定的压力，也便于氧侧容器和氢侧容器密封对接。安装时，将隔膜竖向设置、且被夹在氧侧容器的开口和氢侧容器的开口之间，并且氧侧容器的开口和氢侧容器的开口密封对接，隔膜将氧侧容器的内腔和氢侧容器的内腔分隔，氧侧容器的内腔即为氧侧空间1，氢侧容器的内腔即为氢侧空间2。
31.在本实施例中，为了使得进入氧侧空间1中的氧气先进入电解液中再通过氧侧排放管3排出，氧侧进气管11的出口端伸入氧侧空间1底部。同样地，为了使得进入氢侧空间2中的氢气先进入电解液中再通过氢侧排放管4排出，氢侧进气管21的出口端伸入氢侧空间2底部。
32.本发明的优点是：隔膜的气密性检测方法模拟了隔膜在水电解制氢装置中的工作条件，能检测出待检测隔膜适用的压力范围，且能够通过平行实验判断待检测隔膜和用以比对的隔膜的气密性的优劣，从而能够判断待检测隔膜能否用在额定压力或可变压力的水电解制氢装置中，进而提高水电解制氢装置的生产的氢气和氧气的纯度。