一种用于燃料电池电堆的检漏工装的制作方法

1.本发明涉及燃料电池电堆检测技术领域，尤其是涉及一种用于燃料电池电堆的检漏工装。


背景技术：

2.氢燃料电池作为一种新型环保、高效的动力装置，采用氢能作为燃料直接将化学能转换为电能，因而不受卡诺循环的限制，也因此具有能量转换效率高、动力强劲等优点，目前正逐步成为氢能源利用的关键领域。尽管氢燃料电池有以上众多优点，但是氢燃料电池电堆在实际运行时仍面临众多问题与挑战，比如复杂的车辆运行工况、电堆系统的管理与控制。其中电堆系统的管理与控制主要包括加氢储氢的安全性、电堆气密性以及电堆在经受振动与冲击时的安全等方面，这些都是燃料电池电堆在汽车领域应用时不得不考虑的问题。
3.目前电堆的气密性通常包括电堆整体气密性、单腔气密性、各腔体之间窜气量和氢气泄露量等，然而针对这些气密性测试还未有较为完善的检测装置或工装可以对其进行测试，因此需要研究设计出一种可以进行较为全面的电堆气密性测试的检漏工装。
4.公开号为cn215115051u的实用新型公布了一种电堆检漏工装，其在底座的上表面固定设有两个支撑杆，在支撑杆的顶端固定设有平台，底座的上表面靠近支撑杆的内侧固定设有两个固定块，在底座的上表面设有滑动板，滑动板置于两个固定块中间，且与固定块滑动连接；滑动板的上表面设有下测试板，在下测试板的侧壁连通设有第二连接管，下测试板的上表面设有电堆，电堆的顶端设有上测试板，上测试板上连通设有第一连接管，气罐与气泵的进气口连通，气泵的出气口与进气管连通，进气管上靠近气泵的位置连通设有第一压力表，进气管的另一端通过连接管与上测试板连通，集气瓶通过出气管与第二连接管连通，出气管上靠近出气管的位置设有第二压力表。
5.该方案主要针对于固态氧化物燃料电池的使用；同时工装制作完成后，支撑杆的高度固定，不具备可伸缩性，因此可测试样品的体积和结构受限，不适用于不同结构、不同类型的产品。
6.公开号为cn108168790a的发明公布了一种用于燃料电池电堆的检漏装置，该装置包括依次相连的水气供给单元、检漏单元及排水单元，水气供给单元包括第一柜体、设置在第一柜体内的管路系统以及设置在第一柜体上的控制系统，检漏单元包括第二柜体以及转动设置在第二柜体上并与管路系统相连通的水箱检漏机构，排水单元包括第三柜体以及设置在第三柜体上并与水箱检漏机构相连通的水槽排水机构。既能够根据检漏前后气体的压力差判断出燃料电池电堆的气密性，同时也能够根据水箱中的气泡情况准确快速地定位出燃料电池电堆的外漏部位。
7.该方案可以进行气密性和外漏点的判定，但使用的流量计为转子流量计，使用过程中无法精确读取气体泄漏量的数据，故无法应用于窜气试验等对测试结果精度要求较高的试验项目；同时设备体积和占地面积较大。


技术实现要素：

8.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以进行电堆气密性测试且简单高效的用于燃料电池电堆的检漏工装。
9.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
10.一种用于燃料电池电堆的检漏工装，包括依次连接的气体压力控制模块、气体流量控制分配模块和被测燃料电池电堆模块，所述气体压力控制模块包括第一气体输送管，该第一气体输送管上设有减压阀组件、气压控制开关组件和数字压力表；
11.所述气体流量控制分配模块包括第二气体输送管，该第二气体输送管的一端连接所述第一气体输送管的一端，另一端分为第一气流控制支路和第二气流控制支路，所述第一气流控制支路设有第一气流控制开关组件，所述第二气流控制支路设有流量计和第二气流控制开关组件，所述第一气流控制支路和第二气流控制支路均接入所述被测燃料电池电堆模块；所述被测燃料电池电堆模块包括电堆。
12.进一步地，所述减压阀组件包括第一减压阀和第二减压阀，所述气压控制开关组件包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述第一减压阀、第一开关、第二减压阀、第二开关和第四开关自所述第一气体输送管的入口端依次设置，所述第二开关和第四开关之间设有三通阀，该三通阀分出一条支路连接所述第三开关后接入大气，该支路还连接所述数字压力表。
13.进一步地，当外部气源接入第一气体输送管后，通过第一减压阀调整压力大小；然后打开第一开关和第二开关，使得气体经过第二减压阀，根据数字压力表的压力显示结果，通过第二减压阀，调整压力大小，在此过程中，若压力大于预先获取的电堆所需压力，则打开第三开关，释放压力；
14.当通过第一减压阀和第二减压阀将气体压力控制在预先获取的电堆所需压力范围时，保持第一开关和第二开关打开、第三开关关闭；
15.打开第四开关后，气体进入气体流量控制分配模块进行流量分配。
16.进一步地，所述第一气流控制支路分为第一氢腔支路、第一空腔支路和第一水腔支路，所述第一氢腔支路设有第一氢腔开关，该第一氢腔支路用于接入燃料电池电堆的氢腔；所述第一空腔支路设有第一空腔开关，该第一空腔支路用于接入燃料电池电堆的空腔；所述第一水腔支路设有第一水腔开关，该第一水腔支路用于接入燃料电池电堆的水腔。
17.进一步地，测量电堆的气密性时，打开第一氢腔开关、第一空腔开关和第一水腔开关中的一个或多个，使得气体直接进入电堆，随后关闭第一开关，然后通过数字压力表显示电堆压力的实时数据，通过对比固定时间间隔的实时压力大小变化，评价电堆的气密性。
18.进一步地，所述第二气流控制支路分为第二氢腔支路、第二空腔支路和第二水腔支路，所述第二氢腔支路设有第二氢腔开关，该第二氢腔支路用于接入燃料电池电堆的氢腔；所述第二空腔支路设有第二空腔开关，该第二空腔支路用于接入燃料电池电堆的空腔；所述第二水腔支路设有第二水腔开关，该第二水腔支路用于接入燃料电池电堆的水腔。
19.进一步地，测量电堆的单腔气体泄露速率时，打开第二氢腔开关、第二空腔开关或第二水腔开关，使得气体直接进入电堆，保持第一开关、第二开关和第四开关常开，电堆的另外两个腔体与大气连通；通过数字压力表获取电堆压力的实时数据，待数字压力表的数值恒定后，读取的流量计的实时数据，即为该腔体对应的气体泄漏速率。
20.进一步地，打开第一气流控制开关组件使得气体直接进入被测燃料电池电堆模块；
21.打开第二气流控制开关组件使得气体通过流量计进入被测燃料电池电堆模块，通过流量计实时监测气体流量。
22.进一步地，所述第一气体输送管还分为第三气流控制支路，该气流控制支路设有排气开关，所述气流控制支路接入大气。
23.进一步地，所述被测燃料电池电堆模块通过卡箍和垫圈连接所述气体流量控制分配模块。
24.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
25.(1)本发明设置减压阀组件与数字压力表相配合，实现对气体压力的精确控制，设置直接连接的第一气流控制支路，可测量电堆的整体气密性、单腔气密性；设置连接有流量计的第二气流控制支路可测量电堆的单腔气体泄露速率。本发明优化了工装与电堆的连接形式，缩短了样品进行不同类型测试时的安装方式；除了能通过精确控制入堆压力以检测电堆的整体和单腔气密性外，还可以满足国标中要求的过压试验、压差试验、氢空串漏等测试项目，同时也可以对检漏工装本身进行检漏测试，从而可以对燃料电池电堆整体以及内部气密性进行较为全面的检测，能大大提高对燃料电池电堆的气密性检漏测试的效率。
26.(2)本发明设置了第一减压阀可以用于气体压力的粗略调控，第二减压阀用于气体压力的细微调控，数字压力表用于测量并显示气体在输送管路中的实时压力大小，保证了气体压力的恒定。
27.(3)本发明检漏工装能够精确控制燃料电池电堆在不同压力条件下的气密性测试，且精度高响应快。
28.(4)本发明检漏工装设计同时采用了压差法与体积流量法两种方法，针对不同的测试可以进行测试方法的快速转换，可以缩短测试时间。
29.(5)本发明检漏工装为线下检漏工装，可测试气密性测试较为全面，工装整体简单方便易携带。
附图说明
30.图1为本发明实施例中提供的一种用于燃料电池电堆的检漏工装的结构示意图；
31.图中，ⅰ、气体压力控制模块，ⅱ、气体流量控制分配模块，ⅲ、被测件燃料电池电堆模块，1、第一开关，2、第二开关，3、第三开关，4、第四开关，5、第一氢腔开关，6、第一空腔开关，7、第一水腔开关，8、第二氢腔开关，9、第二空腔开关，10、第二水腔开关，11、排气开关，12、第一减压阀，13、第二减压阀，14、数字压力表，15、流量计。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
33.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护
的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
37.实施例1
38.参考图1所示，本实施例提供一种用于燃料电池电堆的检漏工装，包括依次连接的气体压力控制模块、气体流量控制分配模块和被测燃料电池电堆模块，气体压力控制模块包括第一气体输送管，该第一气体输送管上设有减压阀组件、气压控制开关组件和数字压力表14；气体压力控制模块前端测试气体由外部气源提供，主要为惰性气体氮气或氩气；
39.气体流量控制分配模块包括第二气体输送管，该第二气体输送管的一端连接第一气体输送管的一端，另一端分为第一气流控制支路和第二气流控制支路，第一气流控制支路设有第一气流控制开关组件，第二气流控制支路设有流量计15和第二气流控制开关组件，第一气流控制支路和第二气流控制支路均接入被测燃料电池电堆模块；被测燃料电池电堆模块包括电堆。
40.本方案设置减压阀组件与数字压力表14相配合，实现对气体压力的精确控制，设置直接连接的第一气流控制支路，可测量电堆的整体气密性、单腔气密性；设置连接有流量计15的第二气流控制支路可测量电堆的单腔气体泄露速率。优化了工装与电堆的连接形式，缩短了样品进行不同类型测试时的安装方式；可用于不同类型的燃料电池产品的气密性、窜漏试验、过压试验的测试。
41.具体地，减压阀组件包括第一减压阀12和第二减压阀13，气压控制开关组件包括第一开关1、第二开关2、第三开关3和第四开关4，第一减压阀12、第一开关1、第二减压阀13、第二开关2和第四开关4自第一气体输送管的入口端依次设置，第二开关2和第四开关4之间设有三通阀，该三通阀分出一条支路连接第三开关3后接入大气，该支路还连接数字压力表14。
42.相当于，气体压力控制模块包括气体输送管和设置在气体输送管上的减压阀、用于分配气体流量的三通阀和测量压力的高精度数字压力表。气体输送管主要用于气体在管路中的供给；减压阀主要用于控制管路中气体压力的大小，第一减压阀12可以用于气体压力的粗略调控，第二减压阀13主要用于气体压力的细微调控；高精度的数字压力表14主要用于测量并显示气体在输送管路中的实时压力大小。
43.使用时，当外部气源接入第一气体输送管后，通过第一减压阀12调整压力大小；然后打开第一开关1和第二开关2，使得气体经过第二减压阀13，根据数字压力表14的压力显示结果，通过第二减压阀13，调整压力大小，在此过程中，若压力大于预先获取的电堆所需压力，则打开第三开关3，释放压力；
44.当通过第一减压阀12和第二减压阀13将气体压力控制在预先获取的电堆所需压力范围时，保持第一开关1和第二开关2打开、第三开关3关闭；
45.打开第四开关4后，气体进入气体流量控制分配模块进行流量分配。
46.作为一种优选的实施方式，第一气流控制支路分为第一氢腔支路、第一空腔支路和第一水腔支路，第一氢腔支路设有第一氢腔开关5，该第一氢腔支路用于接入燃料电池电堆的氢腔；第一空腔支路设有第一空腔开关6，该第一空腔支路用于接入燃料电池电堆的空腔；第一水腔支路设有第一水腔开关7，该第一水腔支路用于接入燃料电池电堆的水腔。
47.第二气流控制支路分为第二氢腔支路、第二空腔支路和第二水腔支路，第二氢腔支路设有第二氢腔开关8，该第二氢腔支路用于接入燃料电池电堆的氢腔；第二空腔支路设有第二空腔开关9，该第二空腔支路用于接入燃料电池电堆的空腔；第二水腔支路设有第二水腔开关10，该第二水腔支路用于接入燃料电池电堆的水腔。
48.打开第一气流控制开关组件使得气体直接进入被测燃料电池电堆模块；
49.打开第二气流控制开关组件使得气体通过流量计15进入被测燃料电池电堆模块，通过流量计15实时监测气体流量。
50.相当于，气体流量控制分配模块包括气体输送管、用于分配气体流量的三通阀和测量气体流量的高精度流量计。气体在经过三通阀时，可通过控制三通阀的出口对气体进行流量的分配，三通阀的两个出口为：一直接通过打开第一氢腔开关5、第一空腔开关6和第一水腔开关7中的一个或多个进入电堆；二先通过高精度流量计，再通过打开第二氢腔开关8、第二空腔开关9、第二水腔开关10中的一个或多个进入电堆。其中前者采用压差法，以不通过流量计的管路能对管路中的气体压力进行监控与实时显示，检测灵敏度提高，适合于电池微小泄漏的检测，在一定程度上抵消了产品受温度影响引起的压力波动误差，提高了测试结果稳定性。后者通过流量计的管路可以对气体的体积流量大小进行监控与实时显示，测量信号直接对应标准状态下的泄漏率。
51.具体地，测量电堆的气密性时，打开第一氢腔开关5、第一空腔开关6和第一水腔开关7中的一个或多个，使得气体直接进入电堆，随后关闭第一开关1，然后通过数字压力表14显示电堆压力的实时数据，通过对比固定时间间隔的实时压力大小变化，评价电堆的气密性。
52.测量电堆的单腔气体泄露速率时，打开第二氢腔开关8、第二空腔开关9或第二水腔开关10，使得气体直接进入电堆，保持第一开关1、第二开关2和第四开关4常开，电堆的另外两个腔体与大气连通；通过数字压力表14获取电堆压力的实时数据，待数字压力表14的数值恒定后，读取的流量计15的实时数据，即为该腔体对应的气体泄漏速率。
53.进一步地，作为一种优选的实施方式，第一气体输送管还分为第三气流控制支路，该气流控制支路设有排气开关11，气流控制支路接入大气。通过打开排气开关11，对电堆内的气体进行尾排处理。
54.第三开关3、排气开关11可以对整个气体管路以及电堆内的气体进行尾排处理。其
中第三开关3可以排出气体压力控制模块内的气体，排气开关11可以排出气体流量控制分配模块以及电堆内的气体。
55.作为一种优选的实施方式，被测件燃料电池电堆模块通过垫圈、卡箍与气体流量控制分配模块相连，以实现良好的密封连接。其中垫圈和卡箍的尺寸和大小应与气体流量控制分配模块的出口和电堆氢腔、空腔、水腔进口一致，以确保实现良好的密封连接。
56.将上述优选的实施方式进行组合可以得到更优的实施方式，下面对一种最优的实施方式进行具体描述。
57.一种用于燃料电池电堆的检漏工装，该工装包括支撑框架以及设置在支撑框架上的气密性检测装置，该检测装置主要包括气体压力控制模块ⅰ、气体流量控制分配模块ⅱ以及被测件燃料电池电堆模块ⅲ。其中整个检漏工装的测试气体由外部气源提供，主要为惰性气体，如氮气或氩气；由第一开关1控制对整个检漏工装的气体流量和压力进行控制与分配。
58.气体压力控制模块包括气体输送管和设置在气体输送管上的减压阀、用于分配气体流量的三通阀和测量压力的高精度数字压力表。
59.气体流量控制分配模块包括气体输送管、用于分配气体流量的三通阀和测量气体流量的高精度流量计。
60.被测件燃料电池电堆模块通过垫圈、卡箍与气体流量控制分配部分相连，以实现良好的密封连接。
61.在实际应用时，由外部气源通常为惰性气体氮气或氩气为整个检漏工装提供气体来源，此时检漏工装上所有开关均为关闭状态。当气体在通过第一减压阀12时，可以进行第一次压力控制调整至电堆所需最大压力的2～3倍，此时打开第一开关1、第二开关2使气体经过气体输送管到达第二减压阀13，通过数字压力表14监控并显示此时管路中的压力大小，随后通过调节第二减压阀13的开度大小调节整个气体输送管中的压力大小。在此过程中，当压力大小大于电堆所需压力时，可通过打开第三开关3将多余压力排除。通过第一开关1、第二开关2、第三开关3、第一减压阀12、第二减压阀13和数字压力表14可精确控制当前管路中的压力大小，并进行调节。当气体压力控制在电堆所需范围时，打开第一开关1、第二开关2，关闭第三开关3，此时气体压力控制模块已使气体压力保持恒定。
62.在气体流量控制分配模块部分，打开第四开关4可以将气体压力恒定的气源进行流量的分配。当打开排气开关11时，气体排出检漏工装；反之则可以打开第一氢腔开关5、第一空腔开关6和第一水腔开关7直接使压力恒定的气体进入电堆，或打开第二氢腔开关8、第二空腔开关9、第二水腔开关10使压力恒定的气体通过高精度流量计进入电堆，通过高精度流量计的气体流量可以被实时监测。
63.在测量电堆的整体气密性、单腔气密性时，可以打开第一氢腔开关5、第一空腔开关6和第一水腔开关7的一个或多个使气体直接进入电堆，随后关闭第二开关2，此时数字压力表14可以显示电堆压力的实时数据，通过对比固定时间间隔的实时压力大小变化，可以对电堆的整体气密性、单腔气密性良好与否进行评价。例如，测量电堆整体气密性时，待电堆压力达到所需测试压力时，检漏工装关闭第二开关2，打开第一氢腔开关5、第一空腔开关6和第一水腔开关7，此时电堆的氢腔、空腔、水腔出口封闭，不与大气连通，通过对比固定时间间隔的实时压力大小的变化可以测量出电堆的整体气密性。测量氢腔气密性时，待电堆
压力达到所需测试压力时，检漏工装关闭第二开关2，打开第一氢腔开关5，此时电堆的氢腔出口封闭，空腔、水腔出口与大气连通，通过对比固定时间间隔的实时压力大小的变化可以测量出电堆的氢腔气密性。空腔、水腔气密性测试同氢腔，只需打开对应开关即可。
64.在测量电堆的单腔气体泄露速率时，可以打开该腔体对应开关(第二氢腔开关8、第二空腔开关9或第二水腔开关10)使气体直接进入电堆，此时检漏工装保持第一开关1、第二开关2和第四开关4常开，电堆的另外两个腔体与大气连通，数字压力表14可以显示电堆压力的实时数据，待数字压力表14数值恒定后读取流量计15的实时数据即可，该数据即为该腔体对应的气体泄漏速率。例在测量电堆的氢腔气体泄露速率时，可以打开该腔体对应第二氢腔开关8使气体直接进入电堆，此时检漏工装保持开关第一开关1、第二开关2和第四开关4常开，电堆的另外两个腔体与大气连通，待数字压力表14数值恒定后读取流量计15的实时数据即可，该数据即为该腔体对应的气体泄漏速率。空腔、水腔气体泄露速率测试同氢腔。
65.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。