車用質(zhì)子交換膜燃料電池堆氣密性試驗

摘要：車用質(zhì)子交換膜燃料電池堆應(yīng)在整個工作溫度范圍內(nèi)都應(yīng)具有較好的氣密性，以確保電堆的安全運行。分析了電堆的氣密性測試方法，分別在常溫25 ℃，高溫90 ℃，以及低溫-20 ℃、-30 ℃、-35 ℃條件下，進行電堆氣密性試驗，試驗項目包括三腔外漏、氫腔總泄漏、氫竄空以及氫空竄水。結(jié)果表明：在高溫90 ℃條件下，電堆的內(nèi)漏量成倍增加，其竄漏率與膜電極透氣性能有關(guān)；在低溫環(huán)境下，溫度越低電堆外漏數(shù)值越大，單電池的密封設(shè)計非常關(guān)鍵。試驗為后續(xù)電堆的設(shè)計優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜；燃料電池；電池堆；氣密性；溫度

0 前言

隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹闹匾暫涂萍嫉牟粩噙M步，燃料電池已經(jīng)在交通、能源發(fā)電、船舶工業(yè)、航空航天等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。質(zhì)子交換膜燃料電池以其功率密度高、清潔無污染、低噪聲等優(yōu)點，成為新能源汽車理想的動力來源［1］。

質(zhì)子交換膜燃料電池通過氫氣和氧氣的化學反應(yīng)直接產(chǎn)生電能。氫氣具有易燃易爆的特性，因此電堆的氣密性對于燃料電池的安全性、可靠性和耐久性至關(guān)重要［2］。在燃料電池堆的研發(fā)和出廠測試階段，都會進行嚴格的氣密性測試。目前，這些測試通常是在常溫下進行的。然而，考慮到電堆的工作溫度范圍為-40～90 ℃，電堆在高溫和低溫下的氣密性同樣需要關(guān)注。因此，在不同溫度條件下對電堆進行氣密性測試，對于指導(dǎo)電堆的設(shè)計開發(fā)、提升密封性能具有重要意義。

1 燃料電池堆氣密性試驗方法

我國已經(jīng)發(fā)布了一系列國家標準，對燃料電池電堆的氣密性試驗方法和要求進行了詳細規(guī)定。國家標準 GB/T 20042.2—2023《 質(zhì)子交換膜燃料電池 第2 部分：電池堆通用技術(shù)條件》中明確推薦了電堆的氣密性要求和測試方法［3］，這些測試包括氣密性試驗、氣體泄漏試驗和竄氣試驗。氣密性試驗采用壓降法，通過測量陽極腔、陰極腔及冷卻液腔在20 min 內(nèi)的壓力下降值來評估，這一測試在行業(yè)內(nèi)通常被稱為“三腔保壓”。氣體泄漏試驗是測量氣體通過陽極腔、陰極腔和冷卻液腔向大氣的泄漏速率，行業(yè)內(nèi)通常稱之為“三腔外漏”。竄氣試驗是測量氣體通過陽極腔向陰極腔的竄氣速率，行業(yè)內(nèi)通常稱之為“氫竄空”，同時還需測量氣體通過陽極腔和陰極腔向冷卻液腔的竄氣速率，行業(yè)內(nèi)通常稱之為“氫空竄水”。

GB/T 36288—2018《 燃料電池電動汽車 燃料電池堆安全要求》中推薦了電堆的氣密性安全要求和測試方法［4］。該標準采用壓降法來測量陽極腔在20 min 內(nèi)的壓力下降值，這一測試在行業(yè)內(nèi)通常被稱為“氫腔保壓”。保壓結(jié)束時的壓力值不應(yīng)低于初始壓力的85%。

GB/T 33978—2017《 道路車輛用質(zhì)子交換膜燃料電池模塊》中推薦了電堆氣密性試驗及氫氣泄漏量的試驗方法［5］。氣密性試驗是測量氣體在10 min 內(nèi)通過陽極腔、陰極腔及冷卻液腔向大氣的泄漏量，即三腔外漏。氫氣泄漏量試驗是測量氣體從陽極腔到大氣、陰極腔或冷卻液腔的總泄漏量，行業(yè)內(nèi)通常稱之為“氫腔總泄漏”。國家相關(guān)標準中關(guān)于燃料電池堆的氣密性試驗方法見表1。

2 試驗設(shè)計

2. 1 試驗裝置

試驗裝置主要包括燃料電池堆氣密性測試臺和高低溫環(huán)境箱。燃料電池堆氣密性測試臺是對電堆進行氣密性檢測的專用設(shè)備，可根據(jù)不同的測試目的進行保壓測試、泄漏量測試和竄氣測試等。氣密性測試臺包括氣體供應(yīng)模塊、壓力控制模塊、泄漏檢測模塊及安全模塊等，配備高精度流量計和電子調(diào)壓系統(tǒng)，保證測試數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性，其體積流量范圍為0～50 mL/min，流量精度為±（0.8%RD+0.2%FS），其中RD 表示讀數(shù)，F(xiàn)S表示滿量程；壓力范圍為0～300 kPa，壓力精度為±0.5 kPa。高、低溫環(huán)境箱用于模擬低溫和高溫環(huán)境，在不同溫度下對電堆進行氣密性測試，環(huán)境箱溫度偏差為±2 K。本試驗所用燃料電池堆為石墨板電堆，該電堆由20 片單電池構(gòu)成，額定功率約為10 kW。電堆主要由膜電極、雙極板、集流板、絕緣板及端板等構(gòu)成。整個電堆氣密性測試系統(tǒng)的連接如圖1 所示。

2. 2 試驗步驟及流程

試驗選取常溫25 ℃ ，高溫90 ℃ ，以及低溫-20 ℃、-30 ℃、-35 ℃，分別測試不同溫度下電堆的氣密性，試驗流程如圖2 所示。具體試驗步驟如下：① 設(shè)置環(huán)境箱溫度為25 ℃，并將電堆放置其中，靜置至少12 h；② 測試氣體采用氮氣，根據(jù)表1中的試驗方法，采用流量法對電堆進行氣密性測試，測試內(nèi)容包括三腔外漏、氫腔總泄漏、氫竄空及氫空竄水；③ 將環(huán)境箱溫度升高至90 ℃，再次將電堆放入并靜置至少12 h；④ 重復(fù)②中的氣密測試步驟，進行高溫下的氣密測試；⑤ 將環(huán)境箱溫度設(shè)置為-20 ℃，電堆在箱內(nèi)靜置超過12 h 后，重復(fù)②中的氣密測試步驟進行-20 ℃ 低溫下的氣密測試；⑥ 繼續(xù)將環(huán)境箱溫度降至-30 ℃，電堆在箱內(nèi)靜置超過12 h 后，重復(fù)② 中氣密測試步驟，進行-30 ℃低溫下的氣密測試；⑦ 將環(huán)境箱溫度降至-35 ℃，電堆在箱內(nèi)靜置超過12 h 后，重復(fù)②中氣密測試步驟進行-35 ℃低溫下的氣密測試。

3 試驗結(jié)果分析

3. 1 三腔外漏

不同溫度下三腔外漏的試驗結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，低溫下隨著溫度的逐漸降低，三腔外漏泄漏量成倍增加，-35 ℃時三腔外漏的泄漏量為26.14 mL/min，是25 ℃ 時（2.26 mL/min）的11 倍。而高溫對三腔外漏的影響較小，90 ℃時三腔外漏的泄漏量與常溫（25 ℃）相比變化不大。在進行三腔外漏試驗時，陰極腔、陽極腔和冷卻液腔會被同時通入相同壓力的氣體。因此，基本排除三腔之間氣體互竄的可能性，可認為僅存在三腔向外部環(huán)境的外漏。電堆的三腔外漏與單電池的密封材料及其結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)，低溫環(huán)境會引起密封材料的收縮和變形，同時使密封材料脆化，導(dǎo)致密封性能下降。

3. 2 氫竄空

不同溫度下氫竄空的試驗結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，與三腔外漏趨勢相反，氫竄空泄漏量在低溫下較常溫時有所降低，而在高溫下則成倍增加。具體來說，在90 ℃ 時氫竄空泄漏量為42.61 mL/min，是25 ℃ 時（9.24 mL/min）的5 倍左右。氫竄空試驗?zāi)康氖菧y量電堆的內(nèi)漏情況，這一過程是通過向陽極腔通入一定壓力的氣體來實現(xiàn)。由于膜電極兩側(cè)存在壓差，氣體可能會從陽極腔向陰極腔竄漏。氫竄空主要受膜電極透氣性的影響。隨著溫度的升高，質(zhì)子交換膜可能發(fā)生膨脹，導(dǎo)致原本致密的結(jié)構(gòu)變得疏松，透氣率增加。此外，高溫會增加氣體分子的運動速度和擴散速率，使更多的氣體分子能夠通過膜電極竄漏到陰極，從而導(dǎo)致氫竄空泄漏量增加。相反，低溫下氫竄空的泄漏量降低，可能是因為膜電極通常需要一定的濕度才能保持良好的性能，低溫下水結(jié)成冰，阻塞了部分氣體傳輸通道，進而減少了氫氣的竄漏。

3. 3 氫腔總泄漏

不同溫度下氫腔總泄漏的試驗結(jié)果如圖5 所示。由圖4～圖5 可知，相同溫度下氫腔總泄漏量與氫竄空泄漏量接近。氫腔總泄漏包括了氫腔到大氣的外漏和氫腔向空腔、氫腔向冷卻液腔的互竄。結(jié)果表明，氫腔到大氣的外漏和氫腔向冷卻腔互竄的泄漏量非常小，氫腔總泄漏量主要來源于氫腔向空腔的互竄。因此，溫度對氫腔總泄漏的影響趨勢與氫竄空一致。氫腔總泄漏量在低溫條件下較常溫下降低，在高溫下成倍增加。

3. 4 氫空竄水

不同溫度下氫空竄水的試驗結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，與三腔外漏、氫空互竄，以及氫腔總泄漏相比，氫空竄水的泄漏量非常小。在常溫條件下，氫空竄水泄漏量接近0，而在高溫和低溫下略有增加，但仍然低于0.2 mL/min。由于氫空竄水的數(shù)值很小，與流量計精度（±0.1 mL/min）接近，因此該測試結(jié)果可能存在一定誤差，只能作為參考。氫空竄水測量的是氣體通過陽極腔和陰極腔向冷卻液腔的泄漏情況，主要受極板的透氣率和極板密封結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)論

燃料電池堆的氣密性是確保其安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素，在工作溫度范圍內(nèi)保持良好的氣密性能對于保障電堆的安全運行至關(guān)重要。本文在廣泛溫度范圍內(nèi)，包括在常溫25 ℃，高溫90 ℃，以及極端低溫-20 ℃、-30 ℃、-35 ℃條件下，對電堆進行了氣密性測試。測試內(nèi)容包括三腔外漏、氫腔總泄漏、氫竄空，以及氫空竄水?；谠囼灁?shù)據(jù)得出以下結(jié)論。

（1） 在高溫90 ℃條件下，電堆氫空兩腔的互竄顯著增加，這一現(xiàn)象可能是因為膜電極在高溫下透氣率增加。因此，在電堆零部件設(shè)計選型時，應(yīng)關(guān)注膜電極在高溫下的透氣性能。

（2） 在低溫條件下，尤其是在-30 ℃以下，電堆的三腔外漏顯著增加，表明單電池的密封設(shè)計非常關(guān)鍵。因此，優(yōu)化單電池的密封結(jié)構(gòu)與材料，以增強其在低溫條件下的密封性能，是提升電堆整體氣密性、確保低溫安全運行的必要措施。

通過在不同溫度條件下對電堆進行氣密性測試，揭示了電堆在不同溫度下的氣密性表現(xiàn)，為后續(xù)電堆的設(shè)計優(yōu)化提供了參考，有助于推動燃料電池技術(shù)的進一步發(fā)展與應(yīng)用。

參考文獻

［ 1 ］ 邵志剛，衣寶廉. 氫能與燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 中國科學院院刊， 2019， 34（4）：469-477.

［ 2 ］ 馮文，王淑娟，倪維斗，等. 氫能的安全性和燃料電池汽車的氫安全問題[J]. 太陽能學報，2003，24（5）：677-682.

［ 3 ］ 全國燃料電池及液流電池標準化技術(shù)委員會. 質(zhì)子交換膜燃料電池第2 部分：電池堆通用技術(shù)條件：GB/T 20042.2—2023[S]. 北京：中國標準出版社，2023.

［ 4 ］ 全國燃料電池及液流電池標準化技術(shù)委員會.燃料電池電動汽車燃料電池堆安全要求：GB/T 36288—2018[S]. 北京： 中國標準出版社，2018.

［ 5 ］ 全國燃料電池及液流電池標準化技術(shù)委員會. 道路車輛用質(zhì)子交換膜燃料電池模塊：GB/T 33978—2017[S]. 北京：中國標準出版社，2017.