氢燃料电池的泄漏和气密性试验标准综合分析*

张妍懿 郝冬 陈光 余八一 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；3.中国质量认证中心）

燃料电池汽车已经成为新能源汽车的技术路线之一，燃料电池具有能量转换效率高、零排放、比能量高和噪声低等优点。但实际应用中燃料电池也存在一些问题：一是寿命问题，国际上燃料电池的寿命目前基本上是5 000 h，跟传统内燃机差距较大；二是成本问题，由于氢燃料发电需要用到含铂催化剂，但铂金是贵金属，价格高昂，同时高纯度氢气的价格也很高，氢气的运输、储存也有不少问题；三是安全问题，燃料电池的封装和内部结构特点决定了燃料电池无法做到完全密封，燃料电池堆的氢气泄漏就直接影响燃料电池的能量利用效率和系统安全性。因此如何测试燃料电池的氢气泄漏和密封性能变得尤为重要，虽然目前国标体系中已有多个相关标准对燃料电池的泄漏和气密性能测试进行了具体规定，但内容和方法多有不同，容易让技术人员在使用时感觉混乱，甚至错误使用。文章主要对现有氢燃料电池国标中泄漏和气密相关内容进行对比解析，明确具体要求，探讨不足。

1 GB/T 20042.2—2008 相关规定

GB/T 20042.2—2008《质子交换膜燃料电池电池堆通用技术条件》[1]对于泄漏和气密性相关的规定主要有5 项。

1）其5.2 条的气体泄漏试验。具体要求：燃料电池堆满载运行，在最高运行温度下达到稳定后停止运行、吹扫燃料电池堆、关闭气体出口，温度降至规定的最低运行温度；然后在入口充入阳极气体，也可使用氦气、氮气，压力达到最高运行压力，稳定1 min 保持压力，使用流量计测试气体泄漏率。要求燃料气体的泄漏率不应高于厂家规定值。

该条规定是在氢气腔加压，测量氢气腔的泄漏率，且没有说明冷却液腔的具体要求。应该是在冷却液没有放空的情况下进行测试，另外关闭的气体出口也应该是氢气和空气的出口。

2）其5.4 条的允许工作压力试验。在最高或者最低运行温度下进行，取更严格的条件；试验介质使用氮气或者压缩空气；对各通道逐步加压至1.3 倍许可工作压力，稳定1 min；若无法满足运行条件（如没有条件使燃料电池堆运行）可在常温1.5 倍压力进行试验。要求不应出现开裂、破碎、永久变形或其他物理损伤；试验可在气体泄漏试验或者正常运行试验期间进行。

这条规定燃料电池堆应该在冷却液排空的情况下进行，对于三腔工作压力不同的情况，需要对阴极、阳极和冷却液三腔分别通气保压1.3 倍；如果三腔工作压力相同或者接近，则可以使用三腔接通的方法进行一次性通气测试，最后结果都是看燃料电池堆有无物理损伤情况。

3）其5.6 条的窜气试验。分别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。对于前一种要求，除阳极和阴极腔进气口外的其余口都封住，在阳极腔进口接流量计，从阳极腔进口通入氮气，加压至允许最大工作压力差，稳定1 min。在阳极通气的情况下，测量阳极到阴极的气体泄漏率。后一种要求所有出口封住，冷却液进口接流量计，阳极和阴极腔进口同时通入氮气，加压至阳极腔最大运行压力，稳定1 min。在阳极和阴极通气情况下，测量阴阳两腔到冷却腔的气体泄漏率。

该窜气试验实际就是测试在堆的三腔之间的窜气情况，测量阳极到阴极腔，也就是氢气窜空气腔的情况，以及阳极和阴极2 个腔窜气到冷却液腔的情况，测量时的冷却液腔应该放空冷却液。

4）其5.10 条的压力差试验。该试验适用于阳极、阴极工作压力不同的燃料电池堆。规定在最高或者最低运行温度下进行，取更严格的条件。阳极和阴极通入适当的气体，压力达到最大允许工作压差的1.3 倍，保持至少1 min，测量泄漏速率。要求不应出现开裂、破碎、永久变形或其他物理损伤，1 min 内开始和结束时的泄漏率不能增加。

这条概括讲就是阳极和阴极都通气，保持1.3 倍最大允许压差，看燃料电池堆的物理状态和泄漏率。

5）其6.1 条为气密性试验。规定在所有接头处涂检漏液，要求在最大运行压力下不产生气泡为合格。这条是一个例行检查试验。

2 GB/T 33978—2017 相关规定

GB/T 33978—2017《道路车辆用质子交换膜燃料电池模块》[2]中气体泄漏和密封性相关的规定有5 项。

1）其6.2 条的气密性试验。在室温下，模块的阳极腔、阴极腔及冷却液腔同时通入氢气或者氦气，并逐渐加压达到最高运行压力（1.5 倍标称工作压力），维持入口处的压力稳定，使用入口处的流量计测量10 min 内的泄漏量。要求气体泄漏量低于企业要求值。

该条概括地讲就是燃料电池堆的三腔通气、保压（1.5 倍标称工作压力），测量10 min 内的泄漏量。这条试验内容同GB/T 20042.2—2008 中的气密性试验明显不同，需要测量出3 个腔的泄漏量来判定合格的气密性。但泄漏量多少为合格是根据需求方的规定，目前很多需求方还提不出具体数值，有待于行业内对此进行进一步研究。

2）其6.3.1 条的氢外漏试验。在模块正常工作的燃料电池堆的温度和进气压力条件下，测试运行过程中模块氢气外泄情况。测试在室内无风条件下进行，测试点和泄漏浓度上限的要求可由需求方和制造商协商确定。没有明确限值要求的，则测得的氢气浓度应＜25%LFL（Lower Flammable Limit，可燃下限）。

这条规定明确了试验是在燃料电池堆运行状态进行的，虽然规定测试点和限值可由需求方和制造商商定，但从行业通用情况来看，25%LFL的限值要求是个比较明确的数值。还有测试点的具体位置也是一个问题，实际操作中可以明确发现，距离测试点位置不同，测试结果差别很大，这跟氢气的体积质量低、易扩散特性密切相关。

3）6.3.2 条的氢气泄漏量试验。该试验测试氢气从氢气腔到大气、空气腔和冷却液腔的总泄漏量。规定氢气腔通氦气，封出口，稳压50 kPa，至入口处流量计读数稳定，使用测试气体和压力的校准曲线进行校准，要求符合SAEJ 2578—2009 规定的零部件泄漏规定。

该试验跟GB/T 20042.2—2008 的窜气试验本质基本相同，在GB/T 20042.2—2008 的窜气试验中的氢气腔到空气腔和冷却液腔窜气的测量结果中，实际也包含了从氢气腔到大气的泄漏情况，只是二者压力测试的规定不同。

4）6.4 条的许可工作压力试验按GB/T 29838—2013 中5.5 条的规定进行，与GB/T 20042.2—2008 中5.4 条规定的许可工作压力试验内容一致。

5）温度存储试验。该试验在规定的高温和低温下分别静置12 h 以上，室温下静置12 h 以上，反复3 次。然后观察外观，进行GB/T 29838—2013 中的5.3 条（气体泄漏试验） 和 5.4 条（运行试验），进行 GB/T 20042.2—2008 中5.6 条（窜气试验）。温度存储试验除了检查外观变化外，主要是为了检验高低温对堆的泄漏和密封性能的影响。

3 GB/T 29838—2013 的相关规定

GB/T 29838—2013《燃料电池模块》[3]中跟泄漏和气密性相关的规定有4 项。

1）5.3 条的气体泄漏试验。模块满载运行，在最高运行温度下达到热平衡后停止运行，吹扫燃料电池堆，关闭气体出口，温度降至规定的最低运行温度。然后充入阳极气体或者氦气，压力达到最高运行压力，稳定1 min。保持入口压力，使用流量计测试气体泄漏率，泄漏率不应高于厂家提供值。该试验基本与GB/T 20042.2—2008 中5.2 条的规定一致。

2）5.5 条的许可工作压力试验。该试验在最高或者最低运行温度下进行，取更严格的条件。对各通道逐步加压至1.3 倍许可工作压力，稳定不少于1 min。若无法满足运行条件（如没有条件使燃料电池堆运行），可在常温1.5 倍许可工作压力进行试验。要求不应出现开裂、破碎、永久变形或其他物理损伤。该试验基本与GB/T 20042.2—2008 中5.4 条的规定一致。

3）5.11 条的压差试验。该试验适用于阳极和阴极流道工作压力不同的燃料电池堆。在最高或者最低运行温度下，阳极或者阴极通入对应气体，压力达到最大允许工作压差的1.3 倍，保持至少1 min，测量泄漏速率。若无法满足运行条件，可在常温1.5 倍压力进行试验。要求不应出现开裂、破碎、永久变形或其他物理损伤，试验后阳极和阴极之间的泄漏率不应增加。这条内容基本与GB/T 20042.2—2008 中5.10 条的规定一致。

4）6.2 条的气密性试验。在常压下，在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（即1.5 倍标称压力）下不产生气泡为合格。

4 其他标准的相关规定

GB/T 362880—2018《燃料电池电动汽车燃料电池堆安全要求》[4]的6.2 条为气密性试验。其规定燃料电池堆处于冷态，关闭阴极、阳极和冷却水腔3 个出口，同时向三腔通入氦氮混合气体（氦气浓度≥10%），压力均设定在正常工作压力（表压），压力稳定后，保压20 min。测试结果不应低于初始压力的85%。

GB/T 24554—2009《燃料电池发动机性能试验方法》[5]的7.9 条为燃料电池发动机气密性测试，分2 种情况进行：1）关闭排氢阀，氢气系统中充满惰性气体（氮气、氩气、氦气，或者氦气浓度不低于5%的氦氮混合气体），压力设定为 50 kPa，压力稳定后，保压 20 min；2）关闭排氢阀和空气排气口，氢气系统和空气系统中充满惰性气体（氮气、氩气、氦气，或者氦气浓度不低于5%的氦氮混合气体），两侧压力设定为正常工作压力，压力稳定后，保压20 min。分别记录2 种情况的压力下降值。

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》[6]的气密性试验（7.2 条）是按照GB/T 25319—2010 中的 5.1.1 条进行。

GB/T 25319—2010《汽车用燃料电池发电系统技术条件》[7]的5.1.1 条为气体泄漏试验，6.3.1 条为气密性检查。其中5.1.1 条规定：封闭三出口，阳极入口通入惰性气体，不超过燃料电池堆的最大运行压力，稳压60 s，使腔内气体平衡，测量阳极入口处单位时间内的气体流量，该流量为阳极总泄漏量。要求泄漏量符合厂家规定。6.3.1 条规定：连接每个管路及元件，三腔通入惰性气体，不超过燃料电池堆的最大运行压力，稳压60 s，使各腔和管路气体平衡，测量总入口处的流量，该流量应符合厂家规定；所有管路和接头处涂渗漏检查液，应不产生气泡。

5 综合分析

从以上几个标准来看，虽然都有泄漏和气密性的性能要求，但是适用对象、测量腔体、使用气体、保压时间、保压压力都有差别。具体如下：

1）适用对象差别：简单分为燃料电池模块、燃料电池堆、燃料电池发动机、燃料电池发电系统。其中后两者实际是一个东西，模块和堆在上述标准中也基本是一种相同的概念。

2）测量腔体差别：根据不同的测试目的，堆或者模块的阳极腔、阴极腔、冷却液腔的测量基本分为单独测量阳极腔、测量阳极和阴极腔，以及测量三腔3 种情况，其中前2 种是为了测量氢气泄漏或者窜气情况，后一种是为了测量保压情况。

3）使用气体差别：使用的气体有氢气、氦气、惰性气体、氮气、空气等。泄漏、窜气时基本都是使用氢气或者氦气，而在保压和气密试验时采用惰性气体或者氮气和空气。

4）试验内容差别：主要分为气密性、泄漏、压差、窜气、允许工作压力5 种，不同试验内容的侧重点不同。气密性主要看管路接头和堆集成的密封效果；泄漏主要看整体对外的泄漏情况；压差主要考虑阴阳两极工作压力不同情况下的泄漏情况；窜气主要考核氢气窜空气腔，以及氢气窜空气腔和氢气窜冷却液腔2 种情况；允许工作压力主要考核试验对象对最大工作压力的承受情况。

5）考核指标的差别：主要有泄漏率、压力下降值、物理损伤等情况。

6 结论

文章通过对燃料电池相关标准的氢气泄漏和气密性标准主要内容的对比分析，明确列出了相关测试方法和具体测试要求的差异，对具体试验测试工作有一定的指导作用。另外这种氢气泄漏和气密性测试工作在实际操作中的要求较高，测试设备要满足这些方面标准的要求，必须有针对性地开发专用测试产品，并集成相关的测试功能，提高测试自动化程度。后续对燃料电池汽车用燃料电池堆相关标准的制定，除了要满足燃料电池堆的通用要求外，还要考虑燃料电池汽车的自身特点，在标准的适用性和实用性两大方面，结合规定的测试方法，给出具体的测试要求和结果判定准则。