燃料电池用气密性试验台的分析与开发*

陈光 郝冬 王晓兵 王仁广

（1.中国汽车技术研究中心有限公司；2.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司）

氢燃料电池汽车由于其零排放、续驶里程长、加氢时间短，已经成为新能源汽车的主要技术路线之一。但在实际应用中存在以下问题：1）氢燃料电池使用寿命短，目前基本为5 000 h，相比内燃机差距很大；2）成本高，包含氢燃料本身制造成本高、氢气价格导致的使用成本高；3）氢安全风险高，燃料电池堆的泄漏不仅影响燃料电池的能量利用效率，而且存在一定的安全隐患。文献[1-7]对燃料电池的泄漏和气密性测试都有规定。这些标准基本都是要求测试保压状态下的压力下降或者稳压状态下的泄漏率来进行评价，因此如何测试燃料电池的泄漏变得尤为重要。目前标准中对电堆泄漏和气密性的测试方法比较简单，但规定内容有差别。现有的测试设备功能单一，不能满足不同标准的测试需求；有些试验台得出的测试结果只能大致判断有无泄漏和压力下降情况，无法测得精确的泄漏量和压力下降值。针对这种情况，文章开发专用测试设备，用以满足燃料电池的泄漏和密封性测试需要。

1 试验台功能需求分析

常规汽车用氢燃料电池堆具有阳极腔（氢气路）、阴极腔（空气路）、冷却液腔3个通路，测试也主要是针对这3个腔及其连接管路。综合分析相关标准，明确试验台应该满足以下功能需求：

1）各通路单独进行开关控制以及压力和流量测试：由于标准对不同通道及其组合的密封和保压要求不同，试验台应该满足不同通道的开关组合；同时需要测量每个通道的压力变化和流量大小。因此在燃料电池的阳极管路、阴极管路、冷却管路各段出入口处分别添加开关电磁阀来实现对应管路的开关控制，并在每个通道管路的出入口设置压级传感器和流量计。被测件接入设备后，可根据需要控制阳极管路、阴极管路、冷却管路各入口和各出口的开通、闭合，并且可测量出各管路的流量和压力值。

2）气路安全及保护功能：试验台需要满足不同测试气体和不同测试压力的需要，并防止管路超压，这需要添加常闭电磁阀，控制管路压力进入；在每个通道上设置调压阀，以保证输入气体压力满足标准要求；在每个管路上设置安全阀，以防止管路超压对被测件等造成损坏；在每个管路上设置快速泄压装置，保证系统发生故障时能够迅速泄压。

3）能够根据需要选择不同的测试气体：试验台支持不同的试验气体，主要有氢气、氦气、氮气、空气4种，可根据试验需求进行选择，具备一键式测试气体切换模式。

4）能够精确记录压力变化和泄漏量数据：在规定管路内气体压力达到试验设定值后，关闭相应通道的入口和出口，通过压力传感器记录管路压力在规定时间内的变化，以判定管路保压能力和泄漏情况。通过控制自动保持压力稳定，通过流量传感器记录具体的泄漏率。同时为保持测试精度，根据被测件所需压力的不同选择高、低压2种测试回路。

2 试验台结构组成

燃料电池用气密性试验台主要包括设备主体（1）、被测件（2）、设备副体（3）、气瓶与设备连接口（4）、启动按钮（5）、急停按钮（6）、主体与副体通信线（7）等部分，如图1所示。

图1 燃料电池用气密性试验台组成简图

图1中A1，B1，C1为设备主体上对应被测件的氢气、空气、冷却液腔的连接管路电磁阀；A2，B2，C2为被测件的氢气、空气、冷却液腔入口处连接管路电磁阀；A3，B3，C3为被测件的氢气、空气、冷却液腔出口处连接管路电磁阀；A4，B4，C4为设备副体上对应被测件的氢气、空气、冷却液腔的管路接口电磁阀。

试验台测试部分主要由电磁阀、调压阀、安全阀、流量计、压力计、管路等组成，其组成原理，如图2所示。

图2 燃料电池用气密性试验台组成原理示意图

在气源与设备主体连接入口后端布置电磁阀，当系统开始运行时，电磁阀才会打开，确保管路用气安全。电磁阀后布置手动调压阀，进行初步压力调整。调压阀后布置安全阀，管路压力高于安全阀设定值时，安全阀将断开管路连接，确保系统及测试件安全。安全阀后布置快速排气泄压装置，紧急情况下迅速释放管路压力。气路分为六路通道（分成高、低压2组），分别对应阳极管路、阴极管路、冷却管路。每一通道的第1个器件为电磁阀，用于控制被测件入口的开关；电磁阀后为流量计，流量计后端为压力计。被测件各腔出口与试验台副体通过软管连接，后端布置压力计，用于对比管路前端压力与后端压力的压差；压力计后布置电磁阀，用于控制管路的开关。

3 试验台工作方式分析

试验台的工作方式主要有保压法和稳压法两大类。保压法是达到设定压力后，保持一定时间，记录压力的下降情况，通过保压，可以测试燃料电池的密封情况；稳压法是通过气源供气稳定通道的压力，同时使用流量计测量通道的进气率，即为该通道的泄漏率。

1）保压法。将被测件置于待测区，按照图1所示连接管路，启动系统。打开A1，B1，C1前端电磁阀，关闭A4，B4，C4后端电磁阀，选择试验需要的气体，调节输出压力至设定值，如向管路通入气体，待压力稳定后，关闭A1，B1，C1前端电磁阀。根据试验要求的时间，比如10 min，记录对应管路在这段时间内压力的下降值。保压试验可用于GB/T 24554—2009《燃料电池发动机性能试验方法》中的燃料电池发动机气密性测试，通过对阳极腔和阴极腔施加规定压力，压力稳定后，保压20 min，记录压力下降值。GB/T 36288—2018《燃料电池电动汽车燃料电池堆安全要求》中对气密测试的规定与GB/T 24554—2009 基本相同。

2）稳压法。将被测件置于待测区，按照图1所示连接管路，启动系统。打开A1，B1，C1前端电磁阀，关闭A4，B4，C4后端电磁阀，向管路通入规定压力的气体，保持压力稳定，记录各管路流量的变化值。通过稳压法可以测量标准中规定的以下内容：1）阳极腔、阴极腔和冷却液腔各自的泄漏率，也可以测出不同腔组合情况的泄漏率；2）测量各腔的允许工作压力，观察被测试件有无出现开裂、破碎、永久变形或其他物理损伤；3）测量阳极到阴极的气体通路的窜气速率和阴阳两极气体腔到冷却液腔的窜气速率；4）测量压差。GB/T 20042.2—2008《质子交换膜燃料电池电池堆通用技术条件》、GB/T 33978—2017《道路车辆用质子交换膜燃料电池模块》、GB/T 29838—2013《燃料电池模块》等标准中对泄漏率的测试方法基本相同，都是采用稳压法。

3）检漏液法。这是另外一种气密性试验方法。一般要求在常压下，在测试件的所有承压部件的连接件和接头处涂检漏液，要求最大运行压力（一般为1.5 倍标称压力）下不产生气泡为合格。这也是稳压法的一种，只是通过气泡来检验。GB/T 29838—2013《燃料电池模块》、GB/T 33979—2017《质子交换膜燃料电池发电系统低温特性测试方法》和GB/T 25319—2010《汽车用燃料电池发电系统技术条件》3个标准中的气密性测试规定用该方法，它是对燃料电池堆的一种例行性检验项目，比较简单。

以上仅列举可能遇到的典型测试情景，实际应用过程中 A1，B1，C1前端电磁阀，A4，B4，C4后端电磁阀，可根据需要单独进行开关控制，选择测试气体，设定通入压力，以满足不同测试场景的需要。

4 结论

对于燃料电池泄漏和气密性的测试方法和具体要求，多个相关标准都有规定，但存在差异性问题。文章通过分析相关标准，明确了试验台所应具备的功能，提出了设计要求，并对试验台的内部结构进行详细设计。实际应用表明，开发的试验台能够满足当前相关标准法规的测试要求和燃料电池堆及系统的开发测试需要；在测试过程中也发现，试验台操作方便性方面存在连接费时、不方便操作，以及系统电脑交互界面不够友好等问题，还需要进一步改进。