新能源汽車燃料電池氣密性能檢測技術研究

王勝，黃軍壘

（1.450046 河南省 鄭州市 鄭州信息科技職業學院；2.477251 河南省 周口市 河南省氣密性能檢測工程研究中心；3.450002 河南省 鄭州市 鄭州斯倍斯機電有限公司）

0 引言

從2001 年開始，國家出臺一系列促進新能源汽車發展的相關政策，我國新能源汽車行業歷經20 余年發展，步入新的階段。據中國汽車工業協會統計，我國新能源汽車2021 年1 月～8 月的產銷量分別達到181.3 萬輛和179.9 萬輛，同比增長2 倍，市場滲透率超過10%，L2 級智能網聯市場占比達到20%。

新能源汽車的“三電”系統中，燃料電池的安全關系“人、車”安全，因此需要針對燃料電池的安全性能進行檢測，其中燃料電池殼體的密封性能檢測是電池生產廠家密切關心的問題[1]。針對燃料電池檢測泄漏量是否符合國家標準，如何進行有效的泄漏量檢測的問題，本文設計了一種新的檢測系統。

1 燃料電池泄漏檢測現狀

在新能源汽車電池箱運行過程中，需要持續進入濕潤的空氣、氫氣，氫氣在電池堆膜片一端消耗后會出現物理水凝現象[2]。水凝現象中存在的水會直接干擾電池堆膜片的有效性，間接沖擊電池堆的運行效率。在水凝現象持續發生一段時間后，需要利用部分氫氣將過量累積的水分吹走，而這部分氫氣無法進入電池堆與氧氣發生化學作用，而是作為廢氣排出，造成氫泄漏[3]。由于氫氣的爆炸極限在4.00%～75.00%范圍內，一旦泄漏會導致車輛行李倉或所處車庫的氫含量超出這一范圍，就會對乘員身體健康、行車安全造成影響。比如，行車或行駛中停車階段，因旁邊車自燃而引發熱失控，泄漏有毒煙氣，造成人員傷亡、環境污染等[4]。

國內新能源汽車的產業鏈越來越成熟，燃料電池產量越來越大，如何實現快速檢測燃料電池的泄漏，是所有廠家共同面對的問題[5]。目前，普遍采用肥皂法、壓差法和氮氫檢測法[6]。

2 燃料電池氣密性能檢測技術

2.1 肥皂檢測法

這種方法主要是在燃料電池殼體可能出現泄漏的部位涂抹肥皂水，通過對殼體進排氣孔進行密封加壓，觀察涂抹肥皂水的部位是否出現氣泡現象，從而判斷燃料電池殼體的密封性問題[7]。采用這種方法對燃料電池殼體進行泄漏檢測，需要生產企業投入大量的人力，而且長時間的肉眼觀察，也會造成質檢人員的視覺疲勞，產生人為因素的影響，進而加大檢測的誤差率，對最終產品的殘次率產生影響，目前這種檢測方法正在被逐漸淘汰[8]。

2.2 差壓檢測法

目前，針對殼體密封性能檢測應用較多的是差壓式氣密檢測，檢測的原理是一種氣路檢測[9]。被測物體內部的差壓傳感器兩端首先要通過充入相同壓力的氣體保持壓力平衡，伴隨著時間的推移，如果壓力傳感器失衡，輸出信號，說明某一端的某個部位發生泄漏，從而達到精準檢測的目的。

2.3 氮氫檢測法

氮氫檢測法是一種較為先進的氣密性能檢測方法。該方法對密封工件的內部充入適量的示蹤氣體，通過對工件表面進行示蹤氣體的捕捉檢測，從而達到泄漏檢測的目的。目前，根據ISO 10156—2017 標準，采用的示蹤氣體主要是由5%的氫氣和95%的氮氣組成的混合氣體，這種混合氣體的實用性、安全性、經濟性都比較高[10]。

3 燃料電池氣密性能檢測臺架試驗

3.1 檢測臺架設計要求

本研究設計針對廠家需求，依據氮氫檢測法，利用壓差原理，研制一套檢漏設備，根據GB/T 20042.2-2008 《質子交換膜燃料電池 電池堆通用技術條件》標準，不僅能對燃料電池殼體是否泄漏進行檢測，并能檢測出泄漏量的數值。某型號燃料電池殼體外觀如圖1 所示。

圖1 某型號燃料電池殼體外觀Fig.1 Appearance of a certain model of fuel cell housing

根據需求，設計燃料電池氣密檢測臺，檢測臺檢測技術要求如表1 所示。

表1 燃料電池氣密檢測臺檢測要求Tab.1 Test requirements for fuel cell airtightness test bench

檢測臺在對工件進行密封檢測時，密封位置根據客戶圖紙要求密封位置進行密封，工件表面不能壓傷或變形。檢漏檢測包含串漏與外漏。

根據檢測標準，以氫氣腔為例，泄漏量為0～20 mL/min，如果要得到穩定可靠的檢測結果，則檢測結果的重復性應控制在10%以內，即±5%的波動量，結果誤差應穩定在±1 mL/min 以內。而差壓檢漏儀的最高精度也就是在0.01 mL/min，對儀器自身的檢測精度有非常高的要求[11]。

3.2 檢測臺架結構設計

設備由機架、工裝、檢測系統、電氣控制系統等組成，具體如下：

（1）下機架采用8080 方鋼焊接而成，上部采用4040 工業鋁型材。設備整體尺寸：長×寬×高（mm）1 200×700×2 100，不含地腳；工裝夾具采取單工位結構形式，臺面高度為810 mm；

（2）配置一個25 W 機床LED 燈照明，滿足檢測時的光照需求；

（3）氣動系統設計符合國家標準及ISO 標準；

（4）設備邏輯控制系統由PLC 完成，實行自動操作；

（5）檢測設備采用檢漏儀進行檢測，檢測結果定量顯示，判斷結果聲光報警；判定標準可根據工藝設置，可以人工修改；

（6）采用加長直線軸承，以減小擺動量；

（7）工件定位采用定位銷，簡單，方便；

（8）采用工裝快換板，實現只需更換工裝板就可以一機多用。

（9）氣缸控制采用雙電控三位五通電磁，既可以實現氣缸的點動控制，也可以在急停時，氣缸馬上停止動作，

（10）設備電氣分離，互不干涉；

（11）設備正面裝有安全光柵，同時采用雙手啟動模式，雙重保護操作人員的安全；

（12）設備配置一體機，可以進行數據的存儲和查詢。

3.3 檢測臺架測試步驟

檢測臺架測試步驟流程如圖2 所示。

圖2 檢測臺架測試步驟Fig.2 Test steps of test bench

3.4 測試方法

對燃料電池殼體進行密封性檢測階段，需要對氫氣、空氣、水等3 個腔體都進行封堵，對某一個腔體進行充氣，另外2 個不充氣，采用1 臺檢漏儀2 個差壓傳感器分別測量各個腔體的壓力變化[12]。例如對氫氣腔進行充氣，空氣、水2 個腔不充氣，如果發生串漏，則空氣腔體或水腔體數值一定會有變化，此數值即為串漏數值，氫氣腔外漏數值通過計算也可得出。然后依次檢測空氣腔與水腔，即可得到空氣腔與水腔的泄漏值。檢測臺結構圖如圖3所示。

圖3 檢測臺架結構圖Fig.3 Structure diagram of test bench

3.5 試驗結果

將工件裝入檢測臺架中，進行工裝密封，先進性氮氫檢漏，對工件內部充入濃度為5%的安全氫氣，0.2 MPa 氣壓，測試現場溫濕度適宜。通過氮氫檢測儀讀數，可確定各漏點進行檢測，若該檢測點泄漏量極小，則氮氫檢測儀讀數為0，對于超標漏點，則需要進行后續修補。各漏點檢測數據如表2 所示。

表2 氮氫檢測各漏點數據Tab.2 Data of each leakage point in nitrogen and hydrogen detection

之后進行差壓檢測，可以對工件的整體漏率進行鑒定。將燃料電池殼體密封工裝檢測狀態轉換至差壓式氣密檢漏儀進行檢測，不需要2 次封裝，記錄多次檢測的數據。該檢測狀態需要預先在燃料電池殼體上設計兩個漏孔，漏孔1 和漏孔2。檢測設備連接漏孔1 和漏孔2 進行檢測，兩個漏孔設計的流速不同。實驗所得數據如表 3 所示，檢測數據單位選用Pa·(m3/s)。

表3 差壓檢測各漏點數據Tab.3 Data of each leakage point in differential pressure detection

試驗結果顯示，采用氮氫檢測，最大泄漏量為7.13E-6 Pa·(m3/s)，可以有效檢測工件的漏點，并進行標定，為后續的修補提供幫助。采用差壓檢測，也可以有效檢測各漏點，檢測結果穩定可靠。

4 結論

為保證新能源汽車及駕乘人員的安全，燃料電池不發生泄漏是技術關鍵。本文針對某型號新能源汽車燃料電池殼體進行了密封性能檢測方法的研究，設計了一款檢測臺架，并進行了臺架實驗，試驗結果表明，該臺架能夠有效檢測燃料電池殼體的泄露，并能精準計算泄漏量，判斷被檢測工件是否符合技術標準，最終實現了準確可靠地檢測燃料電池殼體質量的目的。