氫燃料電池的泄漏和氣密性試驗標準綜合分析*

張妍懿 郝冬 陳光 余八一 王仁廣

（1.中國汽車技術研究中心有限公司；2.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司；3.中國質量認證中心）

燃料電池汽車已經成為新能源汽車的技術路線之一，燃料電池具有能量轉換效率高、零排放、比能量高和噪聲低等優點。但實際應用中燃料電池也存在一些問題：一是壽命問題，國際上燃料電池的壽命目前基本上是5 000 h，跟傳統內燃機差距較大；二是成本問題，由于氫燃料發電需要用到含鉑催化劑，但鉑金是貴金屬，價格高昂，同時高純度氫氣的價格也很高，氫氣的運輸、儲存也有不少問題；三是安全問題，燃料電池的封裝和內部結構特點決定了燃料電池無法做到完全密封，燃料電池堆的氫氣泄漏就直接影響燃料電池的能量利用效率和系統安全性。因此如何測試燃料電池的氫氣泄漏和密封性能變得尤為重要，雖然目前國標體系中已有多個相關標準對燃料電池的泄漏和氣密性能測試進行了具體規定，但內容和方法多有不同，容易讓技術人員在使用時感覺混亂，甚至錯誤使用。文章主要對現有氫燃料電池國標中泄漏和氣密相關內容進行對比解析，明確具體要求，探討不足。

1 GB/T 20042.2—2008 相關規定

GB/T 20042.2—2008《質子交換膜燃料電池電池堆通用技術條件》[1]對于泄漏和氣密性相關的規定主要有5 項。

1）其5.2 條的氣體泄漏試驗。具體要求：燃料電池堆滿載運行，在最高運行溫度下達到穩定后停止運行、吹掃燃料電池堆、關閉氣體出口，溫度降至規定的最低運行溫度；然后在入口充入陽極氣體，也可使用氦氣、氮氣，壓力達到最高運行壓力，穩定1 min 保持壓力，使用流量計測試氣體泄漏率。要求燃料氣體的泄漏率不應高于廠家規定值。

該條規定是在氫氣腔加壓，測量氫氣腔的泄漏率，且沒有說明冷卻液腔的具體要求。應該是在冷卻液沒有放空的情況下進行測試，另外關閉的氣體出口也應該是氫氣和空氣的出口。

2）其5.4 條的允許工作壓力試驗。在最高或者最低運行溫度下進行，取更嚴格的條件；試驗介質使用氮氣或者壓縮空氣；對各通道逐步加壓至1.3 倍許可工作壓力，穩定1 min；若無法滿足運行條件（如沒有條件使燃料電池堆運行）可在常溫1.5 倍壓力進行試驗。要求不應出現開裂、破碎、永久變形或其他物理損傷；試驗可在氣體泄漏試驗或者正常運行試驗期間進行。

這條規定燃料電池堆應該在冷卻液排空的情況下進行，對于三腔工作壓力不同的情況，需要對陰極、陽極和冷卻液三腔分別通氣保壓1.3 倍；如果三腔工作壓力相同或者接近，則可以使用三腔接通的方法進行一次性通氣測試，最后結果都是看燃料電池堆有無物理損傷情況。

3）其5.6 條的竄氣試驗。分別測量陽極到陰極的氣體通路的竄氣速率和陰陽兩極氣體腔到冷卻液腔的竄氣速率。對于前一種要求，除陽極和陰極腔進氣口外的其余口都封住，在陽極腔進口接流量計，從陽極腔進口通入氮氣，加壓至允許最大工作壓力差，穩定1 min。在陽極通氣的情況下，測量陽極到陰極的氣體泄漏率。后一種要求所有出口封住，冷卻液進口接流量計，陽極和陰極腔進口同時通入氮氣，加壓至陽極腔最大運行壓力，穩定1 min。在陽極和陰極通氣情況下，測量陰陽兩腔到冷卻腔的氣體泄漏率。

該竄氣試驗實際就是測試在堆的三腔之間的竄氣情況，測量陽極到陰極腔，也就是氫氣竄空氣腔的情況，以及陽極和陰極2 個腔竄氣到冷卻液腔的情況，測量時的冷卻液腔應該放空冷卻液。

4）其5.10 條的壓力差試驗。該試驗適用于陽極、陰極工作壓力不同的燃料電池堆。規定在最高或者最低運行溫度下進行，取更嚴格的條件。陽極和陰極通入適當的氣體，壓力達到最大允許工作壓差的1.3 倍，保持至少1 min，測量泄漏速率。要求不應出現開裂、破碎、永久變形或其他物理損傷，1 min 內開始和結束時的泄漏率不能增加。

這條概括講就是陽極和陰極都通氣，保持1.3 倍最大允許壓差，看燃料電池堆的物理狀態和泄漏率。

5）其6.1 條為氣密性試驗。規定在所有接頭處涂檢漏液，要求在最大運行壓力下不產生氣泡為合格。這條是一個例行檢查試驗。

2 GB/T 33978—2017 相關規定

GB/T 33978—2017《道路車輛用質子交換膜燃料電池模塊》[2]中氣體泄漏和密封性相關的規定有5 項。

1）其6.2 條的氣密性試驗。在室溫下，模塊的陽極腔、陰極腔及冷卻液腔同時通入氫氣或者氦氣，并逐漸加壓達到最高運行壓力（1.5 倍標稱工作壓力），維持入口處的壓力穩定，使用入口處的流量計測量10 min 內的泄漏量。要求氣體泄漏量低于企業要求值。

該條概括地講就是燃料電池堆的三腔通氣、保壓（1.5 倍標稱工作壓力），測量10 min 內的泄漏量。這條試驗內容同GB/T 20042.2—2008 中的氣密性試驗明顯不同，需要測量出3 個腔的泄漏量來判定合格的氣密性。但泄漏量多少為合格是根據需求方的規定，目前很多需求方還提不出具體數值，有待于行業內對此進行進一步研究。

2）其6.3.1 條的氫外漏試驗。在模塊正常工作的燃料電池堆的溫度和進氣壓力條件下，測試運行過程中模塊氫氣外泄情況。測試在室內無風條件下進行，測試點和泄漏濃度上限的要求可由需求方和制造商協商確定。沒有明確限值要求的，則測得的氫氣濃度應＜25%LFL（Lower Flammable Limit，可燃下限）。

這條規定明確了試驗是在燃料電池堆運行狀態進行的，雖然規定測試點和限值可由需求方和制造商商定，但從行業通用情況來看，25%LFL的限值要求是個比較明確的數值。還有測試點的具體位置也是一個問題，實際操作中可以明確發現，距離測試點位置不同，測試結果差別很大，這跟氫氣的體積質量低、易擴散特性密切相關。

3）6.3.2 條的氫氣泄漏量試驗。該試驗測試氫氣從氫氣腔到大氣、空氣腔和冷卻液腔的總泄漏量。規定氫氣腔通氦氣，封出口，穩壓50 kPa，至入口處流量計讀數穩定，使用測試氣體和壓力的校準曲線進行校準，要求符合SAEJ 2578—2009 規定的零部件泄漏規定。

該試驗跟GB/T 20042.2—2008 的竄氣試驗本質基本相同，在GB/T 20042.2—2008 的竄氣試驗中的氫氣腔到空氣腔和冷卻液腔竄氣的測量結果中，實際也包含了從氫氣腔到大氣的泄漏情況，只是二者壓力測試的規定不同。

4）6.4 條的許可工作壓力試驗按GB/T 29838—2013 中5.5 條的規定進行，與GB/T 20042.2—2008 中5.4 條規定的許可工作壓力試驗內容一致。

5）溫度存儲試驗。該試驗在規定的高溫和低溫下分別靜置12 h 以上，室溫下靜置12 h 以上，反復3 次。然后觀察外觀，進行GB/T 29838—2013 中的5.3 條（氣體泄漏試驗） 和 5.4 條（運行試驗），進行 GB/T 20042.2—2008 中5.6 條（竄氣試驗）。溫度存儲試驗除了檢查外觀變化外，主要是為了檢驗高低溫對堆的泄漏和密封性能的影響。

3 GB/T 29838—2013 的相關規定

GB/T 29838—2013《燃料電池模塊》[3]中跟泄漏和氣密性相關的規定有4 項。

1）5.3 條的氣體泄漏試驗。模塊滿載運行，在最高運行溫度下達到熱平衡后停止運行，吹掃燃料電池堆，關閉氣體出口，溫度降至規定的最低運行溫度。然后充入陽極氣體或者氦氣，壓力達到最高運行壓力，穩定1 min。保持入口壓力，使用流量計測試氣體泄漏率，泄漏率不應高于廠家提供值。該試驗基本與GB/T 20042.2—2008 中5.2 條的規定一致。

2）5.5 條的許可工作壓力試驗。該試驗在最高或者最低運行溫度下進行，取更嚴格的條件。對各通道逐步加壓至1.3 倍許可工作壓力，穩定不少于1 min。若無法滿足運行條件（如沒有條件使燃料電池堆運行），可在常溫1.5 倍許可工作壓力進行試驗。要求不應出現開裂、破碎、永久變形或其他物理損傷。該試驗基本與GB/T 20042.2—2008 中5.4 條的規定一致。

3）5.11 條的壓差試驗。該試驗適用于陽極和陰極流道工作壓力不同的燃料電池堆。在最高或者最低運行溫度下，陽極或者陰極通入對應氣體，壓力達到最大允許工作壓差的1.3 倍，保持至少1 min，測量泄漏速率。若無法滿足運行條件，可在常溫1.5 倍壓力進行試驗。要求不應出現開裂、破碎、永久變形或其他物理損傷，試驗后陽極和陰極之間的泄漏率不應增加。這條內容基本與GB/T 20042.2—2008 中5.10 條的規定一致。

4）6.2 條的氣密性試驗。在常壓下，在所有承壓部件的連接件和接頭處涂檢漏液，要求最大運行壓力（即1.5 倍標稱壓力）下不產生氣泡為合格。

4 其他標準的相關規定

GB/T 362880—2018《燃料電池電動汽車燃料電池堆安全要求》[4]的6.2 條為氣密性試驗。其規定燃料電池堆處于冷態，關閉陰極、陽極和冷卻水腔3 個出口，同時向三腔通入氦氮混合氣體（氦氣濃度≥10%），壓力均設定在正常工作壓力（表壓），壓力穩定后，保壓20 min。測試結果不應低于初始壓力的85%。

GB/T 24554—2009《燃料電池發動機性能試驗方法》[5]的7.9 條為燃料電池發動機氣密性測試，分2 種情況進行：1）關閉排氫閥，氫氣系統中充滿惰性氣體（氮氣、氬氣、氦氣，或者氦氣濃度不低于5%的氦氮混合氣體），壓力設定為 50 kPa，壓力穩定后，保壓 20 min；2）關閉排氫閥和空氣排氣口，氫氣系統和空氣系統中充滿惰性氣體（氮氣、氬氣、氦氣，或者氦氣濃度不低于5%的氦氮混合氣體），兩側壓力設定為正常工作壓力，壓力穩定后，保壓20 min。分別記錄2 種情況的壓力下降值。

GB/T 33979—2017《質子交換膜燃料電池發電系統低溫特性測試方法》[6]的氣密性試驗（7.2 條）是按照GB/T 25319—2010 中的 5.1.1 條進行。

GB/T 25319—2010《汽車用燃料電池發電系統技術條件》[7]的5.1.1 條為氣體泄漏試驗，6.3.1 條為氣密性檢查。其中5.1.1 條規定：封閉三出口，陽極入口通入惰性氣體，不超過燃料電池堆的最大運行壓力，穩壓60 s，使腔內氣體平衡，測量陽極入口處單位時間內的氣體流量，該流量為陽極總泄漏量。要求泄漏量符合廠家規定。6.3.1 條規定：連接每個管路及元件，三腔通入惰性氣體，不超過燃料電池堆的最大運行壓力，穩壓60 s，使各腔和管路氣體平衡，測量總入口處的流量，該流量應符合廠家規定；所有管路和接頭處涂滲漏檢查液，應不產生氣泡。

5 綜合分析

從以上幾個標準來看，雖然都有泄漏和氣密性的性能要求，但是適用對象、測量腔體、使用氣體、保壓時間、保壓壓力都有差別。具體如下：

1）適用對象差別：簡單分為燃料電池模塊、燃料電池堆、燃料電池發動機、燃料電池發電系統。其中后兩者實際是一個東西，模塊和堆在上述標準中也基本是一種相同的概念。

2）測量腔體差別：根據不同的測試目的，堆或者模塊的陽極腔、陰極腔、冷卻液腔的測量基本分為單獨測量陽極腔、測量陽極和陰極腔，以及測量三腔3 種情況，其中前2 種是為了測量氫氣泄漏或者竄氣情況，后一種是為了測量保壓情況。

3）使用氣體差別：使用的氣體有氫氣、氦氣、惰性氣體、氮氣、空氣等。泄漏、竄氣時基本都是使用氫氣或者氦氣，而在保壓和氣密試驗時采用惰性氣體或者氮氣和空氣。

4）試驗內容差別：主要分為氣密性、泄漏、壓差、竄氣、允許工作壓力5 種，不同試驗內容的側重點不同。氣密性主要看管路接頭和堆集成的密封效果；泄漏主要看整體對外的泄漏情況；壓差主要考慮陰陽兩極工作壓力不同情況下的泄漏情況；竄氣主要考核氫氣竄空氣腔，以及氫氣竄空氣腔和氫氣竄冷卻液腔2 種情況；允許工作壓力主要考核試驗對象對最大工作壓力的承受情況。

5）考核指標的差別：主要有泄漏率、壓力下降值、物理損傷等情況。

6 結論

文章通過對燃料電池相關標準的氫氣泄漏和氣密性標準主要內容的對比分析，明確列出了相關測試方法和具體測試要求的差異，對具體試驗測試工作有一定的指導作用。另外這種氫氣泄漏和氣密性測試工作在實際操作中的要求較高，測試設備要滿足這些方面標準的要求，必須有針對性地開發專用測試產品，并集成相關的測試功能，提高測試自動化程度。后續對燃料電池汽車用燃料電池堆相關標準的制定，除了要滿足燃料電池堆的通用要求外，還要考慮燃料電池汽車的自身特點，在標準的適用性和實用性兩大方面，結合規定的測試方法，給出具體的測試要求和結果判定準則。