車(chē)用燃料電池堆氣密性綜合測(cè)評(píng)方法及驗(yàn)證 ①

冀雪峰，郭帥帥，郝 冬，景帥帥，馬明輝

(中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300000)

1 引言

開(kāi)發(fā)以清潔能源為燃料的新能源汽車(chē)是目前研究的熱點(diǎn)，各國(guó)政府和產(chǎn)業(yè)界都愈加重視氫燃料電池汽車(chē)的開(kāi)發(fā)[1-3]。燃料電池汽車(chē)是一種以燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)作為發(fā)電裝置為汽車(chē)提供動(dòng)力的新能源汽車(chē)。一般使用的燃料為高純度氫氣或者含氫燃料。氫燃料電池汽車(chē)具有無(wú)噪音、無(wú)污染、高效率、長(zhǎng)續(xù)駛、氫氣加注時(shí)間短等特點(diǎn)。

目前，燃料電池汽車(chē)技術(shù)仍面臨一些關(guān)鍵問(wèn)題：一是燃料電池較為昂貴導(dǎo)致整車(chē)的成本較高；二是加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施尚不完備；三是制氫技術(shù)成本較高；四是氫安全問(wèn)題。由于氫氣本身的特性，如泄漏性、爆炸性、氫脆特性等，燃料電池汽車(chē)存在一定的氫安全隱患，其安全性是用戶首要關(guān)心的問(wèn)題。用氫安全技術(shù)是燃料電池汽車(chē)發(fā)展的必要條件，燃料電池汽車(chē)的用氫安全技術(shù)有四個(gè)方面：一是優(yōu)化車(chē)載儲(chǔ)氫安全；二是車(chē)載用氫輸送安全的優(yōu)化；三是優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)安全；四是優(yōu)化車(chē)輛載氫運(yùn)行安全。這些安全問(wèn)題中，燃料電池堆和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的氣密性是需要關(guān)注和研究的重點(diǎn)，燃料電池堆的氫氣泄漏及氣密性的測(cè)試評(píng)價(jià)更是重中之重[4]。

我國(guó)的《燃料電池電動(dòng)汽車(chē)燃料電池堆安全要求》(GB/T36288-2018)、《道路車(chē)輛用質(zhì)子交換膜燃料電池模塊》(GB/T 33978-2017)、《道路車(chē)輛用質(zhì)子交換膜燃料電池模塊》(GB/T 33978-2017)、《質(zhì)子交換膜燃料電池 電池堆通用技術(shù)條件》(GB/T20042.2-2008)等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)均各自規(guī)定了燃料電池堆相關(guān)的氣密性、氣體泄漏等試驗(yàn)方法，但并未系統(tǒng)形成針對(duì)車(chē)用燃料電池堆的氣密性綜合測(cè)試評(píng)價(jià)方法。本文主要介紹了車(chē)用燃料電池電堆氣密性綜合測(cè)評(píng)方法，其測(cè)試內(nèi)容包括保壓試驗(yàn)、泄漏試驗(yàn)、竄氣試驗(yàn)等，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和分析。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)裝置

氫燃料電池堆氣密性試驗(yàn)由燃料電池氣密性測(cè)試系統(tǒng)(如圖1所示)進(jìn)行測(cè)試，其由主氣路通道、排氣通道、陽(yáng)極(氫腔)通道、陰極(空腔)通道和冷卻液(水腔)通道構(gòu)成，其中三腔通道的出入口裝置了精度為±0.6% rdg±0.1% F.S的質(zhì)量流量計(jì)，可準(zhǔn)確測(cè)量竄氣和泄漏試驗(yàn)中的氣體流量。另外，三腔通道的出入口裝置了壓力傳感器，可以滿足不同通道的氣體壓力測(cè)量要求。各氣路出入口均可單獨(dú)控制，滿足不同氣密性試驗(yàn)的要求。

圖1 燃料電池氣密性測(cè)試系統(tǒng)裝置圖Fig.1 Diagram fuel cell gas tightness test system.

2.2 試驗(yàn)方法

本文中燃料電池堆氣密性綜合測(cè)評(píng)方法主要包括三腔保壓、氫腔保壓、三腔總泄漏、氫腔泄漏、氫腔竄空腔(氫竄空)和氫空腔竄冷卻液腔(氫空竄水)六種方法。

圖2 燃料電池堆氣密性綜合測(cè)評(píng)方法Fig.2 Comprehensive evaluation method of fuel cell stack gas tightness.

下面就具體試驗(yàn)方法進(jìn)行介紹。

圖3 三腔保壓試驗(yàn)方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of pressure maintaining of three-cavities.

三腔保壓試驗(yàn)：如圖3所示，當(dāng)燃料電池堆處于冷態(tài)，關(guān)閉燃料電池堆的陽(yáng)極出口、陰極出口和冷卻液出口，打開(kāi)陽(yáng)極入口、陰極入口和冷卻液入口，向氫氣流道、空氣流道和冷卻液流道注入氮?dú)?，壓力均設(shè)定在正常工作壓力(表壓)，壓力穩(wěn)定后關(guān)閉進(jìn)氣閥門(mén)，保壓20 min。記錄壓力下降值(kPa)，結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后一位。

圖4 氫腔保壓試驗(yàn)方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of pressure maintaining of anode.

氫腔保壓試驗(yàn)：如圖4所示，燃料電池堆處于冷態(tài)，關(guān)閉燃料電池堆的陽(yáng)極出口，向氫氣流道內(nèi)通入50 kPa(表壓)的氮?dú)猓瑝毫Ψ€(wěn)定后關(guān)閉進(jìn)氣閥門(mén)，保壓20 min。記錄壓力下降值(kPa)，結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后一位。

圖5 三腔總泄漏試驗(yàn)方法示意圖Fig.5 Schematic diagram of total leakage of three-cavities.

三腔總泄漏試驗(yàn)：如圖5所示，當(dāng)燃料電池堆處于冷態(tài)，關(guān)閉燃料電池堆的陽(yáng)極出口、陰極出口和冷卻液出口，打開(kāi)陽(yáng)極入口、陰極入口和冷卻液入口，將氮?dú)庖圆怀^(guò)最大工作壓力經(jīng)過(guò)三腔入口通入電堆，保持壓力穩(wěn)定1 min，使腔內(nèi)氣體壓力達(dá)到平衡；用精度不低于2%的氣體流量計(jì)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的氣體流量，所得到的值為燃料電池堆的三腔氣體總泄漏值。

圖6 氫腔泄漏試驗(yàn)方法示意圖Fig.6 Schematic diagram of leakage of anode.

氫腔泄漏試驗(yàn)：如圖6所示，當(dāng)燃料電池堆處于冷態(tài)，關(guān)閉燃料電池堆的陽(yáng)極出口、陰極入口和冷卻液入口，將氮?dú)庖圆怀^(guò)陰陽(yáng)極允許最大壓力差的壓力經(jīng)過(guò)氫腔入口通入電堆，保持壓力穩(wěn)定1 min，使腔內(nèi)氣體壓力達(dá)到平衡；用精度不低于2%的氣體流量計(jì)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的氣體流量，所得到的值為燃料電池堆的氫腔氣體竄到空腔、氫腔氣體竄到冷卻液腔、氫腔氣體泄漏至大氣中的內(nèi)漏和外漏之和。

圖7 氫竄空試驗(yàn)方法示意圖Fig.7 Schematic diagram of leakage of anode to cathode.

氫竄空內(nèi)漏試驗(yàn)：如圖7所示，當(dāng)燃料電池堆處于冷態(tài)，封閉燃料電池堆陽(yáng)極出口、陰極入口以及冷卻液出入口，在陰極出口接入精度不低于2%的流量計(jì)，由陽(yáng)極入口接入氮?dú)?，調(diào)整壓力至陰陽(yáng)極允許最大壓力差，穩(wěn)定1 min后，讀取陰極出口流量計(jì)示數(shù)。

圖8 氫空竄水試驗(yàn)方法示意圖Fig.8 Schematic diagram of leakage of anode and cathode to coolant.

氫空竄水內(nèi)漏試驗(yàn)：如圖8所示，封閉燃料電池堆陰極、陽(yáng)極出口及冷卻液入口，打開(kāi)冷卻液出口并接上精度不低于2%的流量計(jì)，由陽(yáng)極和陰極入口處同時(shí)通入氮?dú)?，調(diào)整氣壓至電堆正常工作壓力，穩(wěn)定1 min后，讀取冷卻液出口流量計(jì)示數(shù)。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)上述試驗(yàn)方法，進(jìn)行車(chē)用燃料電池堆氣密性試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如下：

圖9 三腔保壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖Fig.9 Test data graph of leakage of pressure maintaining of three-cavities.

如圖9所示，在20 min的三腔保壓試驗(yàn)后，三腔壓降的平均值為0.833 kPa，三腔保壓試驗(yàn)是通過(guò)在陽(yáng)極腔、陰極腔和冷卻液腔分別在腔內(nèi)加入相同壓力的氣體，進(jìn)行保壓試驗(yàn)，由于三腔內(nèi)氣體壓力值相近，因此不存在三腔之間的氣體內(nèi)漏情況，可以有效測(cè)試氫燃料電池堆有無(wú)外漏情況，如無(wú)明顯外漏，其氣體壓降值應(yīng)該較低。燃料電池堆的外漏情況可以表現(xiàn)出氫燃料電池堆的密封有效性、封裝工藝等。

圖10 氫腔保壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖Fig.10 Test data graph of leakage of pressure maintaining of anode.

如圖10所示，其在20 min的氫腔保壓后壓降為26 kPa,由于試驗(yàn)過(guò)程中陽(yáng)極腔與其他兩腔之間存在壓力差，其表現(xiàn)出的壓降是由于氫腔向其它腔的內(nèi)漏和向大氣中的外漏導(dǎo)致的。

圖11 三腔總泄漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖Fig.11 Test data graph of total leakage of three-cavities.

如圖11所示，其在三腔入口流量計(jì)流量值都為0 mL min-1，由于三腔內(nèi)壓力值相同，無(wú)氣體向其他腔的內(nèi)漏情況發(fā)生。因此說(shuō)明三腔氣路無(wú)明顯外漏情況。

圖12 氫腔總泄漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖Fig.12 Test data graph of leakage of anode.

如圖12所示，其在氫腔總泄漏試驗(yàn)中，氫腔入口流量計(jì)的流量值穩(wěn)定在129 mL min-1。由于氫腔壓力高于其他兩腔，故存在不同腔體之間的內(nèi)漏情況，以及向外界大氣中的外漏情況。因此，氫腔總泄漏是為了測(cè)試電堆內(nèi)的內(nèi)漏以及氫腔的外漏情況。

圖13 氫竄空試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖Fig.13 Test data graph of leakage of anode to cathode.

如圖13所示，其在氫竄空試驗(yàn)中，空腔出口流量計(jì)的數(shù)值穩(wěn)定在123 mL min-1。這表示在氫腔壓力高于空腔壓力，但其壓力差不高于燃料電池堆的陰陽(yáng)極允許最大壓力差的情況下，氫腔氣體向空腔的氣體內(nèi)漏情況，空腔出口流量計(jì)的示數(shù)高低即表現(xiàn)為內(nèi)漏程度。質(zhì)子交換膜的作用為分隔陰陽(yáng)極，阻止氫氣與空氣直接混合發(fā)生反應(yīng)。影響氫竄空試驗(yàn)的原因主要是質(zhì)子交換膜的氣體透過(guò)率，過(guò)大的氫竄空試驗(yàn)結(jié)果表明，在燃料電池工作時(shí)，將有過(guò)多的氫氣透過(guò)質(zhì)子交換膜進(jìn)入空腔，其不僅降低了氫氣的利用率且增加了產(chǎn)熱，進(jìn)一步導(dǎo)致質(zhì)子交換膜的性能衰減，使內(nèi)部氣體泄漏情況進(jìn)一步加重。

圖14 氫空竄水試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖Fig.14 Test data graph of leakage of anode and cathode to coolant.

如圖14所示，其在氫空竄水試驗(yàn)中，冷卻液腔出口的流量值為0 mL min-1。氫空竄水試驗(yàn)是氫腔與空腔在50 kPa的壓力下，氣體向冷卻液腔泄漏的氣體量，影響其指標(biāo)的主要原因包括：1.極板之間的密封性；2.極板材料的透氣率。雙極板是電、熱的良導(dǎo)體，具有良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性，提供氣體流道，同時(shí)防止燃料電池中的氫氣與空氣連通。金屬極板具有較好的導(dǎo)電性、氣密性以及抗彎強(qiáng)度[5]。相比金屬極板，石墨極板的透氣率較高，相對(duì)更易出現(xiàn)內(nèi)漏問(wèn)題。

4 結(jié)論

燃料電池堆的氣密性直接影響其安全性、發(fā)電效率等關(guān)鍵性能，而燃料電池堆的封裝工藝和材料屬性決定了其無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全密封。因此，對(duì)車(chē)用燃料電池堆的氣密性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)變得尤為重要。本文以三腔保壓、氫腔保壓、三腔總泄漏、氫腔泄漏、氫竄空和氫空竄水六個(gè)方面作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以壓降值、流量值作為評(píng)判參數(shù)，建立了氣密性綜合測(cè)評(píng)方法，為車(chē)用燃料電池堆的氣密性測(cè)評(píng)提供了指導(dǎo)。