目前標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電堆泄漏和氣密性的測(cè)試方法比較簡(jiǎn)單，但規(guī)定內(nèi)容有差別?，F(xiàn)有的測(cè)試設(shè)備功能單一，不能滿足不同標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試需求；有些試驗(yàn)臺(tái)得出的測(cè)試結(jié)果只能大致判斷有無(wú)泄漏和壓力下降情況，無(wú)法測(cè)得精確的泄漏量和壓力下降值。針對(duì)這種情況，文章開發(fā)專用測(cè)試設(shè)備，用以滿足燃料電池的泄漏和密封性測(cè)試需要。

1 試驗(yàn)臺(tái)功能需求分析

常規(guī)汽車用氫燃料電池堆具有陽(yáng)極腔（氫氣路）、陰極腔（空氣路）、冷卻液腔3 個(gè)通路，測(cè)試也主要是針對(duì)這3 個(gè)腔及其連接管路。綜合分析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)該滿足以下功能需求：

1）各通路單獨(dú)進(jìn)行開關(guān)控制以及壓力和流量測(cè)試：由于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同通道及其組合的密封和保壓要求不同，試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)該滿足不同通道的開關(guān)組合；同時(shí)需要測(cè)量每個(gè)通道的壓力變化和流量大小。因此在燃料電池的陽(yáng)極管路、陰極管路、冷卻管路各段出入口處分別添加開關(guān)電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)管路的開關(guān)控制，并在每個(gè)通道管路的出入口設(shè)置壓級(jí)傳感器和流量計(jì)。被測(cè)件接入設(shè)備后，可根據(jù)需要控制陽(yáng)極管路、陰極管路、冷卻管路各入口和各出口的開通、閉合，并且可測(cè)量出各管路的流量和壓力值。

2）氣路安全及保護(hù)功能：試驗(yàn)臺(tái)需要滿足不同測(cè)試氣體和不同測(cè)試壓力的需要，并防止管路超壓，這需要添加常閉電磁閥，控制管路壓力進(jìn)入；在每個(gè)通道上設(shè)置調(diào)壓閥，以保證輸入氣體壓力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；在每個(gè)管路上設(shè)置安全閥，以防止管路超壓對(duì)被測(cè)件等造成損壞；在每個(gè)管路上設(shè)置快速泄壓裝置，保證系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能夠迅速泄壓。

3）能夠根據(jù)需要選擇不同的測(cè)試氣體：試驗(yàn)臺(tái)支持不同的試驗(yàn)氣體，主要有氫氣、氦氣、氮?dú)?、空? 種，可根據(jù)試驗(yàn)需求進(jìn)行選擇，具備一鍵式測(cè)試氣體切換模式。

4）能夠精確記錄壓力變化和泄漏量數(shù)據(jù)：在規(guī)定管路內(nèi)氣體壓力達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定值后，關(guān)閉相應(yīng)通道的入口和出口，通過(guò)壓力傳感器記錄管路壓力在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的變化，以判定管路保壓能力和泄漏情況。通過(guò)控制自動(dòng)保持壓力穩(wěn)定，通過(guò)流量傳感器記錄具體的泄漏率。同時(shí)為保持測(cè)試精度，根據(jù)被測(cè)件所需壓力的不同選擇高、低壓2 種測(cè)試回路。

2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

燃料電池用氣密性試驗(yàn)臺(tái)主要包括設(shè)備主體（1）、被測(cè)件（2）、設(shè)備副體（3）、氣瓶與設(shè)備連接口（4）、啟動(dòng)按鈕（5）、急停按鈕（6）、主體與副體通信線（7）等部分，如圖1 所示。



圖1 中A1，B1，C1 為設(shè)備主體上對(duì)應(yīng)被測(cè)件的氫氣、空氣、冷卻液腔的連接管路電磁閥；A2，B2，C2 為被測(cè)件的氫氣、空氣、冷卻液腔入口處連接管路電磁閥；A3，B3，C3 為被測(cè)件的氫氣、空氣、冷卻液腔出口處連接管路電磁閥；A4，B4，C4 為設(shè)備副體上對(duì)應(yīng)被測(cè)件的氫氣、空氣、冷卻液腔的管路接口電磁閥。

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試部分主要由電磁閥、調(diào)壓閥、安全閥、流量計(jì)、壓力計(jì)、管路等組成，其組成原理，如圖2 所示。



在氣源與設(shè)備主體連接入口后端布置電磁閥，當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，電磁閥才會(huì)打開，確保管路用氣安全。電磁閥后布置手動(dòng)調(diào)壓閥，進(jìn)行初步壓力調(diào)整。調(diào)壓閥后布置安全閥，管路壓力高于安全閥設(shè)定值時(shí)，安全閥將斷開管路連接，確保系統(tǒng)及測(cè)試件安全。安全閥后布置快速排氣泄壓裝置，緊急情況下迅速釋放管路壓力。氣路分為六路通道（分成高、低壓2 組），分別對(duì)應(yīng)陽(yáng)極管路、陰極管路、冷卻管路。每一通道的第1 個(gè)器件為電磁閥，用于控制被測(cè)件入口的開關(guān)；電磁閥后為流量計(jì)，流量計(jì)后端為壓力計(jì)。被測(cè)件各腔出口與試驗(yàn)臺(tái)副體通過(guò)軟管連接，后端布置壓力計(jì)，用于對(duì)比管路前端壓力與后端壓力的壓差；壓力計(jì)后布置電磁閥，用于控制管路的開關(guān)。

3 試驗(yàn)臺(tái)工作方式分析

試驗(yàn)臺(tái)的工作方式主要有保壓法和穩(wěn)壓法兩大類。保壓法是達(dá)到設(shè)定壓力后，保持一定時(shí)間，記錄壓力的下降情況，通過(guò)保壓，可以測(cè)試燃料電池的密封情況；穩(wěn)壓法是通過(guò)氣源供氣穩(wěn)定通道的壓力，同時(shí)使用流量計(jì)測(cè)量通道的進(jìn)氣率，即為該通道的泄漏率。

1）保壓法。將被測(cè)件置于待測(cè)區(qū)，按照?qǐng)D1 所示連接管路，啟動(dòng)系統(tǒng)。打開A1，B1，C1 前端電磁閥，關(guān)閉A4，B4，C4 后端電磁閥，選擇試驗(yàn)需要的氣體，調(diào)節(jié)輸出壓力至設(shè)定值，如向管路通入氣體，待壓力穩(wěn)定后，關(guān)閉A1，B1，C1 前端電磁閥。根據(jù)試驗(yàn)要求的時(shí)間，比如10 min，記錄對(duì)應(yīng)管路在這段時(shí)間內(nèi)壓力的下降值。保壓試驗(yàn)可用于GB/T 24554—2009《燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》中的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性測(cè)試，通過(guò)對(duì)陽(yáng)極腔和陰極腔施加規(guī)定壓力，壓力穩(wěn)定后，保壓20 min，記錄壓力下降值。GB/T 36288—2018《燃料電池電動(dòng)汽車燃料電池堆安全要求》中對(duì)氣密測(cè)試的規(guī)定與GB/T 24554—2009 基本相同。

2）穩(wěn)壓法。將被測(cè)件置于待測(cè)區(qū)，按照?qǐng)D1 所示連接管路，啟動(dòng)系統(tǒng)。打開A1，B1，C1 前端電磁閥，關(guān)閉A4，B4，C4 后端電磁閥，向管路通入規(guī)定壓力的氣體，保持壓力穩(wěn)定，記錄各管路流量的變化值。通過(guò)穩(wěn)壓法可以測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的以下內(nèi)容：1）陽(yáng)極腔、陰極腔和冷卻液腔各自的泄漏率，也可以測(cè)出不同腔組合情況的泄漏率；2）測(cè)量各腔的允許工作壓力，觀察被測(cè)試件有無(wú)出現(xiàn)開裂、破碎、永久變形或其他物理?yè)p傷；3）測(cè)量陽(yáng)極到陰極的氣體通路的竄氣速率和陰陽(yáng)兩極氣體腔到冷卻液腔的竄氣速率；4）測(cè)量壓差。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》、GB/T 33978—2017《道路車輛用質(zhì)子交換膜燃料電池模塊》、GB/T 29838—2013《燃料電池模塊》等標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)泄漏率的測(cè)試方法基本相同，都是采用穩(wěn)壓法。

3）檢漏液法。這是另外一種氣密性試驗(yàn)方法。一般要求在常壓下，在測(cè)試件的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（一般為1.5 倍標(biāo)稱壓力）下不產(chǎn)生氣泡為合格。這也是穩(wěn)壓法的一種，只是通過(guò)氣泡來(lái)檢驗(yàn)。GB/T 29838—2013《燃料電池模塊》、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》和GB/T 25319—2010《汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)條件》3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的氣密性測(cè)試規(guī)定用該方法，它是對(duì)燃料電池堆的一種例行性檢驗(yàn)項(xiàng)目，比較簡(jiǎn)單。

以上僅列舉可能遇到的典型測(cè)試情景，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中A1，B1，C1 前端電磁閥，A4，B4，C4 后端電磁閥，可根據(jù)需要單獨(dú)進(jìn)行開關(guān)控制，選擇測(cè)試氣體，設(shè)定通入壓力，以滿足不同測(cè)試場(chǎng)景的需要。

4 結(jié)論

對(duì)于燃料電池泄漏和氣密性的測(cè)試方法和具體要求，多個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都有規(guī)定，但存在差異性問(wèn)題。文章通過(guò)分析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確了試驗(yàn)臺(tái)所應(yīng)具備的功能，提出了設(shè)計(jì)要求，并對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明，開發(fā)的試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足當(dāng)前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的測(cè)試要求和燃料電池堆及系統(tǒng)的開發(fā)測(cè)試需要；在測(cè)試過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)臺(tái)操作方便性方面存在連接費(fèi)時(shí)、不方便操作，以及系統(tǒng)電腦交互界面不夠友好等問(wèn)題，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。