氫燃料電池的泄漏和氣密性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)綜合分析*

張妍懿 郝冬 陳光 余八一 王仁廣

（1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司；2.中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司；3.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心）

燃料電池汽車已經(jīng)成為新能源汽車的技術(shù)路線之一，燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、零排放、比能量高和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。但實(shí)際應(yīng)用中燃料電池也存在一些問題：一是壽命問題，國(guó)際上燃料電池的壽命目前基本上是5 000 h，跟傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)差距較大；二是成本問題，由于氫燃料發(fā)電需要用到含鉑催化劑，但鉑金是貴金屬，價(jià)格高昂，同時(shí)高純度氫氣的價(jià)格也很高，氫氣的運(yùn)輸、儲(chǔ)存也有不少問題；三是安全問題，燃料電池的封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了燃料電池?zé)o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(tǒng)安全性。因此如何測(cè)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(guó)標(biāo)體系中已有多個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)燃料電池的泄漏和氣密性能測(cè)試進(jìn)行了具體規(guī)定，但內(nèi)容和方法多有不同，容易讓技術(shù)人員在使用時(shí)感覺混亂，甚至錯(cuò)誤使用。文章主要對(duì)現(xiàn)有氫燃料電池國(guó)標(biāo)中泄漏和氣密相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比解析，明確具體要求，探討不足。

1 GB/T 20042.2—2008 相關(guān)規(guī)定

GB/T 20042.2—2008《質(zhì)子交換膜燃料電池電池堆通用技術(shù)條件》[1]對(duì)于泄漏和氣密性相關(guān)的規(guī)定主要有5 項(xiàng)。

1）其5.2 條的氣體泄漏試驗(yàn)。具體要求：燃料電池堆滿載運(yùn)行，在最高運(yùn)行溫度下達(dá)到穩(wěn)定后停止運(yùn)行、吹掃燃料電池堆、關(guān)閉氣體出口，溫度降至規(guī)定的最低運(yùn)行溫度；然后在入口充入陽極氣體，也可使用氦氣、氮?dú)猓瑝毫_(dá)到最高運(yùn)行壓力，穩(wěn)定1 min 保持壓力，使用流量計(jì)測(cè)試氣體泄漏率。要求燃料氣體的泄漏率不應(yīng)高于廠家規(guī)定值。

該條規(guī)定是在氫氣腔加壓，測(cè)量氫氣腔的泄漏率，且沒有說明冷卻液腔的具體要求。應(yīng)該是在冷卻液沒有放空的情況下進(jìn)行測(cè)試，另外關(guān)閉的氣體出口也應(yīng)該是氫氣和空氣的出口。

2）其5.4 條的允許工作壓力試驗(yàn)。在最高或者最低運(yùn)行溫度下進(jìn)行，取更嚴(yán)格的條件；試驗(yàn)介質(zhì)使用氮?dú)饣蛘邏嚎s空氣；對(duì)各通道逐步加壓至1.3 倍許可工作壓力，穩(wěn)定1 min；若無法滿足運(yùn)行條件（如沒有條件使燃料電池堆運(yùn)行）可在常溫1.5 倍壓力進(jìn)行試驗(yàn)。要求不應(yīng)出現(xiàn)開裂、破碎、永久變形或其他物理?yè)p傷；試驗(yàn)可在氣體泄漏試驗(yàn)或者正常運(yùn)行試驗(yàn)期間進(jìn)行。

這條規(guī)定燃料電池堆應(yīng)該在冷卻液排空的情況下進(jìn)行，對(duì)于三腔工作壓力不同的情況，需要對(duì)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(jìn)行一次性通氣測(cè)試，最后結(jié)果都是看燃料電池堆有無物理?yè)p傷情況。

3）其5.6 條的竄氣試驗(yàn)。分別測(cè)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(duì)于前一種要求，除陽極和陰極腔進(jìn)氣口外的其余口都封住，在陽極腔進(jìn)口接流量計(jì)，從陽極腔進(jìn)口通入氮?dú)?，加壓至允許最大工作壓力差，穩(wěn)定1 min。在陽極通氣的情況下，測(cè)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(jìn)口接流量計(jì)，陽極和陰極腔進(jìn)口同時(shí)通入氮?dú)猓訅褐陵枠O腔最大運(yùn)行壓力，穩(wěn)定1 min。在陽極和陰極通氣情況下，測(cè)量陰陽兩腔到冷卻腔的氣體泄漏率。

該竄氣試驗(yàn)實(shí)際就是測(cè)試在堆的三腔之間的竄氣情況，測(cè)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(gè)腔竄氣到冷卻液腔的情況，測(cè)量時(shí)的冷卻液腔應(yīng)該放空冷卻液。

4）其5.10 條的壓力差試驗(yàn)。該試驗(yàn)適用于陽極、陰極工作壓力不同的燃料電池堆。規(guī)定在最高或者最低運(yùn)行溫度下進(jìn)行，取更嚴(yán)格的條件。陽極和陰極通入適當(dāng)?shù)臍怏w，壓力達(dá)到最大允許工作壓差的1.3 倍，保持至少1 min，測(cè)量泄漏速率。要求不應(yīng)出現(xiàn)開裂、破碎、永久變形或其他物理?yè)p傷，1 min 內(nèi)開始和結(jié)束時(shí)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(tài)和泄漏率。

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

2 GB/T 33978—2017 相關(guān)規(guī)定

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

1）其6.2 條的氣密性試驗(yàn)。在室溫下，模塊的陽極腔、陰極腔及冷卻液腔同時(shí)通入氫氣或者氦氣，并逐漸加壓達(dá)到最高運(yùn)行壓力（1.5 倍標(biāo)稱工作壓力），維持入口處的壓力穩(wěn)定，使用入口處的流量計(jì)測(cè)量10 min 內(nèi)的泄漏量。要求氣體泄漏量低于企業(yè)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(biāo)稱工作壓力），測(cè)量10 min 內(nèi)的泄漏量。這條試驗(yàn)內(nèi)容同GB/T 20042.2—2008 中的氣密性試驗(yàn)明顯不同，需要測(cè)量出3 個(gè)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(jù)需求方的規(guī)定，目前很多需求方還提不出具體數(shù)值，有待于行業(yè)內(nèi)對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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

這條規(guī)定明確了試驗(yàn)是在燃料電池堆運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行的，雖然規(guī)定測(cè)試點(diǎn)和限值可由需求方和制造商商定，但從行業(yè)通用情況來看，25%LFL的限值要求是個(gè)比較明確的數(shù)值。還有測(cè)試點(diǎn)的具體位置也是一個(gè)問題，實(shí)際操作中可以明確發(fā)現(xiàn)，距離測(cè)試點(diǎn)位置不同，測(cè)試結(jié)果差別很大，這跟氫氣的體積質(zhì)量低、易擴(kuò)散特性密切相關(guān)。

3）6.3.2 條的氫氣泄漏量試驗(yàn)。該試驗(yàn)測(cè)試氫氣從氫氣腔到大氣、空氣腔和冷卻液腔的總泄漏量。規(guī)定氫氣腔通氦氣，封出口，穩(wěn)壓50 kPa，至入口處流量計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定，使用測(cè)試氣體和壓力的校準(zhǔn)曲線進(jìn)行校準(zhǔn)，要求符合SAEJ 2578—2009 規(guī)定的零部件泄漏規(guī)定。

該試驗(yàn)跟GB/T 20042.2—2008 的竄氣試驗(yàn)本質(zhì)基本相同，在GB/T 20042.2—2008 的竄氣試驗(yàn)中的氫氣腔到空氣腔和冷卻液腔竄氣的測(cè)量結(jié)果中，實(shí)際也包含了從氫氣腔到大氣的泄漏情況，只是二者壓力測(cè)試的規(guī)定不同。

4）6.4 條的許可工作壓力試驗(yàn)按GB/T 29838—2013 中5.5 條的規(guī)定進(jìn)行，與GB/T 20042.2—2008 中5.4 條規(guī)定的許可工作壓力試驗(yàn)內(nèi)容一致。

5）溫度存儲(chǔ)試驗(yàn)。該試驗(yàn)在規(guī)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(fù)3 次。然后觀察外觀，進(jìn)行GB/T 29838—2013 中的5.3 條（氣體泄漏試驗(yàn)） 和 5.4 條（運(yùn)行試驗(yàn)），進(jìn)行 GB/T 20042.2—2008 中5.6 條（竄氣試驗(yàn)）。溫度存儲(chǔ)試驗(yàn)除了檢查外觀變化外，主要是為了檢驗(yàn)高低溫對(duì)堆的泄漏和密封性能的影響。

3 GB/T 29838—2013 的相關(guān)規(guī)定

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

1）5.3 條的氣體泄漏試驗(yàn)。模塊滿載運(yùn)行，在最高運(yùn)行溫度下達(dá)到熱平衡后停止運(yùn)行，吹掃燃料電池堆，關(guān)閉氣體出口，溫度降至規(guī)定的最低運(yùn)行溫度。然后充入陽極氣體或者氦氣，壓力達(dá)到最高運(yùn)行壓力，穩(wěn)定1 min。保持入口壓力，使用流量計(jì)測(cè)試氣體泄漏率，泄漏率不應(yīng)高于廠家提供值。該試驗(yàn)基本與GB/T 20042.2—2008 中5.2 條的規(guī)定一致。

2）5.5 條的許可工作壓力試驗(yàn)。該試驗(yàn)在最高或者最低運(yùn)行溫度下進(jìn)行，取更嚴(yán)格的條件。對(duì)各通道逐步加壓至1.3 倍許可工作壓力，穩(wěn)定不少于1 min。若無法滿足運(yùn)行條件（如沒有條件使燃料電池堆運(yùn)行），可在常溫1.5 倍許可工作壓力進(jìn)行試驗(yàn)。要求不應(yīng)出現(xiàn)開裂、破碎、永久變形或其他物理?yè)p傷。該試驗(yàn)基本與GB/T 20042.2—2008 中5.4 條的規(guī)定一致。

3）5.11 條的壓差試驗(yàn)。該試驗(yàn)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(yùn)行溫度下，陽極或者陰極通入對(duì)應(yīng)氣體，壓力達(dá)到最大允許工作壓差的1.3 倍，保持至少1 min，測(cè)量泄漏速率。若無法滿足運(yùn)行條件，可在常溫1.5 倍壓力進(jìn)行試驗(yàn)。要求不應(yīng)出現(xiàn)開裂、破碎、永久變形或其他物理?yè)p傷，試驗(yàn)后陽極和陰極之間的泄漏率不應(yīng)增加。這條內(nèi)容基本與GB/T 20042.2—2008 中5.10 條的規(guī)定一致。

4）6.2 條的氣密性試驗(yàn)。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(yùn)行壓力（即1.5 倍標(biāo)稱壓力）下不產(chǎn)生氣泡為合格。

4 其他標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定

GB/T 362880—2018《燃料電池電動(dòng)汽車燃料電池堆安全要求》[4]的6.2 條為氣密性試驗(yàn)。其規(guī)定燃料電池堆處于冷態(tài)，關(guān)閉陰極、陽極和冷卻水腔3 個(gè)出口，同時(shí)向三腔通入氦氮混合氣體（氦氣濃度≥10%），壓力均設(shè)定在正常工作壓力（表壓），壓力穩(wěn)定后，保壓20 min。測(cè)試結(jié)果不應(yīng)低于初始?jí)毫Φ?5%。

GB/T 24554—2009《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》[5]的7.9 條為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性測(cè)試，分2 種情況進(jìn)行：1）關(guān)閉排氫閥，氫氣系統(tǒng)中充滿惰性氣體（氮?dú)?、氬氣、氦氣，或者氦氣濃度不低?%的氦氮混合氣體），壓力設(shè)定為 50 kPa，壓力穩(wěn)定后，保壓 20 min；2）關(guān)閉排氫閥和空氣排氣口，氫氣系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)中充滿惰性氣體（氮?dú)?、氬氣、氦氣，或者氦氣濃度不低?%的氦氮混合氣體），兩側(cè)壓力設(shè)定為正常工作壓力，壓力穩(wěn)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(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)低溫特性測(cè)試方法》[6]的氣密性試驗(yàn)（7.2 條）是按照GB/T 25319—2010 中的 5.1.1 條進(jìn)行。

GB/T 25319—2010《汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)條件》[7]的5.1.1 條為氣體泄漏試驗(yàn)，6.3.1 條為氣密性檢查。其中5.1.1 條規(guī)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(yùn)行壓力，穩(wěn)壓60 s，使腔內(nèi)氣體平衡，測(cè)量陽極入口處單位時(shí)間內(nèi)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(guī)定。6.3.1 條規(guī)定：連接每個(gè)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(yùn)行壓力，穩(wěn)壓60 s，使各腔和管路氣體平衡，測(cè)量總?cè)肟谔幍牧髁?，該流量?yīng)符合廠家規(guī)定；所有管路和接頭處涂滲漏檢查液，應(yīng)不產(chǎn)生氣泡。

5 綜合分析

從以上幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來看，雖然都有泄漏和氣密性的性能要求，但是適用對(duì)象、測(cè)量腔體、使用氣體、保壓時(shí)間、保壓壓力都有差別。具體如下：

1）適用對(duì)象差別：簡(jiǎn)單分為燃料電池模塊、燃料電池堆、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。其中后兩者實(shí)際是一個(gè)東西，模塊和堆在上述標(biāo)準(zhǔn)中也基本是一種相同的概念。

2）測(cè)量腔體差別：根據(jù)不同的測(cè)試目的，堆或者模塊的陽極腔、陰極腔、冷卻液腔的測(cè)量基本分為單獨(dú)測(cè)量陽極腔、測(cè)量陽極和陰極腔，以及測(cè)量三腔3 種情況，其中前2 種是為了測(cè)量氫氣泄漏或者竄氣情況，后一種是為了測(cè)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?dú)?、空氣等。泄漏、竄氣時(shí)基本都是使用氫氣或者氦氣，而在保壓和氣密試驗(yàn)時(shí)采用惰性氣體或者氮?dú)夂涂諝狻?/p>

4）試驗(yàn)內(nèi)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(yàn)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)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(duì)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(yàn)對(duì)象對(duì)最大工作壓力的承受情況。

5）考核指標(biāo)的差別：主要有泄漏率、壓力下降值、物理?yè)p傷等情況。

6 結(jié)論

文章通過對(duì)燃料電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的氫氣泄漏和氣密性標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的對(duì)比分析，明確列出了相關(guān)測(cè)試方法和具體測(cè)試要求的差異，對(duì)具體試驗(yàn)測(cè)試工作有一定的指導(dǎo)作用。另外這種氫氣泄漏和氣密性測(cè)試工作在實(shí)際操作中的要求較高，測(cè)試設(shè)備要滿足這些方面標(biāo)準(zhǔn)的要求，必須有針對(duì)性地開發(fā)專用測(cè)試產(chǎn)品，并集成相關(guān)的測(cè)試功能，提高測(cè)試自動(dòng)化程度。后續(xù)對(duì)燃料電池汽車用燃料電池堆相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)的適用性和實(shí)用性兩大方面，結(jié)合規(guī)定的測(cè)試方法，給出具體的測(cè)試要求和結(jié)果判定準(zhǔn)則。