顧平林 姜于亮 謝慶詩(shī)

摘 要：為了解振動(dòng)對(duì)燃料電池電堆氣密性的影響，本文依據(jù)SAE J2380-2018的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，利用多軸振動(dòng)臺(tái)架和氣密性測(cè)試臺(tái)對(duì)兩個(gè)燃料電池電堆樣品進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)得了燃料電池電堆樣品在振動(dòng)前后的氣密性變化結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明：振動(dòng)對(duì)燃料電池電堆的氣密性有一定的影響，樣品的氣密性均有所下降，燃料電池電堆的氣密性與尺寸和結(jié)構(gòu)等有一定的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：燃料電池電堆 振動(dòng) 機(jī)械完整性 樣品 氣密性

Abstract：This article introduces the basic characteristics and structure of the proton exchange membrane fuel cell， using a multi-axis vibration bench and air tightness test bench and in accordance with the vibration standard of SAE J2380-2018 to perform vibration test tests on two fuel cell stack samples， and compare analyze the changes in airtightness of fuel cell stack samples before and after vibration.The results of this comparative test show that vibration has a certain effect on the airtightness of the fuel cell stack， the airtightness of the samples has been reduced， and the airtightness of the fuel cell stack has a certain relationship with the size and structure.

Key words：fuel cell stack; vibration; mechanical integrity; sample; air tightness

由于燃料電池具有工作溫度要求低、電解質(zhì)材料安全性好等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，目前已逐漸應(yīng)用于商用客車(chē)領(lǐng)域，但在實(shí)際駕駛環(huán)境中，燃料電池在振動(dòng)環(huán)境下表現(xiàn)脆弱，且適應(yīng)性差[1]。作為一種把氫氣和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置，燃料電池堆的氣密安全問(wèn)題非常重要，因此研究振動(dòng)對(duì)電池堆氣密性的影響，對(duì)于燃料電池的穩(wěn)定運(yùn)行和進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有重大意義。

采用樣品A、B的燃料電池堆進(jìn)行振動(dòng)耐久試驗(yàn)，通過(guò)極化曲線對(duì)其電性能進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)該燃料電池的氣密性進(jìn)行研究。

1 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

車(chē)用燃料電池堆，其性能的衰減受到自身設(shè)計(jì)的工藝及集成水平、系統(tǒng)控制策略、材料性能、工作環(huán)境的影響[2]。對(duì)于燃料電池堆經(jīng)歷振動(dòng)后的電性能及氣密性分析能夠最直觀地反映這種衰減特性。本文即利用三綜合振動(dòng)臺(tái)及燃料電池性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行相關(guān)特性的綜合研究。

1.1 電池電堆振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置

1.1.1 多軸振動(dòng)臺(tái)架

多軸振動(dòng)臺(tái)架是由計(jì)算機(jī)控制的伺服液壓系統(tǒng)。六角架多軸振動(dòng)臺(tái)架（MAST）結(jié)構(gòu)包括三個(gè)豎向作動(dòng)器、三個(gè)橫向作動(dòng)器、輕型振動(dòng)臺(tái)、旋轉(zhuǎn)作動(dòng)缸、液壓動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，各部分的通信關(guān)系，如圖1所示。

本次試驗(yàn)使用的六角架多軸振動(dòng)臺(tái)架（MAST）能夠靈活地實(shí)現(xiàn)燃料電池電堆在六自由度上的各種單獨(dú)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)形式，能夠在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)高效率和高還原度地模擬預(yù)期服務(wù)環(huán)境，能夠重復(fù)加速地模擬復(fù)雜的振動(dòng)現(xiàn)象。

1.1.2 氣密性測(cè)試臺(tái)

使用DDCS-5氣密性測(cè)試測(cè)試設(shè)備進(jìn)行燃料電池電堆的氣密性測(cè)試，如圖2所示。DDCS-5氣密性測(cè)試設(shè)備是專門(mén)針對(duì)電堆氣密性檢測(cè)的測(cè)試裝置，由減壓閥、球閥、壓力傳感器、壓力表、電磁閥、單向閥、管路、卡套連接件、金屬軟管等組成的氣密性檢測(cè)系統(tǒng)及不銹鋼烤漆箱體、底部帶剎車(chē)的福馬輪等構(gòu)成。DDCS-5氣密性測(cè)試臺(tái)具有過(guò)濾、單向、便攜和可移動(dòng)等功能，并配有方便連接驅(qū)動(dòng)氣源的金屬軟管與設(shè)備連接[3]。

1.2 電堆振動(dòng)實(shí)驗(yàn)步驟

本文中測(cè)試使用的PEMFC具體結(jié)構(gòu)如下：燃料單電池裝配在兩塊非金屬?gòu)?fù)合材料的終板和兩塊由螺栓和螺母組成的集流體之間，電堆的電解質(zhì)由PEM材料構(gòu)成。本次測(cè)試使用樣品A和樣品B兩塊燃料電池電堆進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，電池電堆的具體參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)的具體試驗(yàn)過(guò)程主要包括以下四個(gè)部分：設(shè)置振動(dòng)臺(tái)、測(cè)試振動(dòng)前性能數(shù)據(jù)、測(cè)試振動(dòng)后性能數(shù)據(jù)、對(duì)比分析振動(dòng)前后測(cè)試收據(jù)。具體試驗(yàn)流程，如圖3所示。

1.2.1 電堆振動(dòng)測(cè)試臺(tái)的設(shè)置

目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)燃料電池電堆振動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)基于SAE J2380-2018的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[1]，本文為樣品A的每個(gè)垂直軸、縱向軸和橫向軸選定常規(guī)G值和表2中的替換G值設(shè)置振動(dòng)臺(tái)，振動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)則是根據(jù)G值確定。樣品A振動(dòng)測(cè)試的振動(dòng)臺(tái)設(shè)置參數(shù)，如表2所示，振動(dòng)頻譜如圖4所示。

振動(dòng)臺(tái)操作過(guò)程中，在所有電纜已正確連接，試件、傳感器正確安裝，傳感器線、驅(qū)動(dòng)線都已連接等準(zhǔn)備工作確認(rèn)完畢后，檢查下列事項(xiàng)。首先，若有熱交換器（水冷臺(tái)），啟動(dòng)熱交換器，需打開(kāi)外循環(huán)水。其次，若需要使用外接油源，啟動(dòng)外接油源，水冷型油源需打開(kāi)外循環(huán)水。其次，確認(rèn)功率放大器SCU-200的INPUT SELECT選擇。在控制儀、電腦上架型，遠(yuǎn)程控制型，功放背面驅(qū)動(dòng)輸入中確認(rèn)選擇A，在前面板驅(qū)動(dòng)輸入中確認(rèn)選擇B。最后，將功率放大器的GAIN按鈕從逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到底并開(kāi)始試驗(yàn)。

在試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行以下停機(jī)操作：首先，退出控制儀的振動(dòng)控制程序。將功率放大器SCU-200面板上的GAIN電位器從逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到RESET位置。其次，按下SCU-200面板傷的POWER OFF開(kāi)關(guān)，打開(kāi)指示燈熄滅，進(jìn)入冷卻狀態(tài)。大約三分鐘后，風(fēng)機(jī)停止工作，進(jìn)入LINE狀態(tài)。其次，關(guān)閉電源和電氣控制面板上的漏電斷路器。其次，水平振動(dòng)時(shí)，水平臺(tái)油泵電源關(guān)閉，水冷臺(tái)關(guān)閉熱交換器。最后，關(guān)閉控制儀或信號(hào)源電源。

1.2.2 電堆振動(dòng)前性能數(shù)據(jù)

通過(guò)初始燃料電池電堆的氣密性測(cè)試，來(lái)獲取振動(dòng)測(cè)試前的燃料電池電堆性能數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3，用于后續(xù)與振動(dòng)后的電堆性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析。

氣密性測(cè)試主要包括向外泄露量測(cè)試和向內(nèi)竄氣量測(cè)試兩部分。在外泄漏量測(cè)試中，需在常溫下向電池電堆的氫腔、空腔和冷卻劑腔充入氮?dú)猓饾u增加壓力值達(dá)到標(biāo)稱壓力1.5倍，當(dāng)腔體入口氣壓穩(wěn)定時(shí)，使用裝置二測(cè)試臺(tái)上的流量計(jì)測(cè)量10分鐘內(nèi)的氣體泄露量;在內(nèi)竄氣量測(cè)試中，需在氫氣入口安裝穩(wěn)壓計(jì)和流量計(jì)，從氫氣入口向氫腔充入氮?dú)猓鸩綄淝坏膲毫χ堤岣咧?0kPa，穩(wěn)定壓力值不變至流量值穩(wěn)定不變，記錄流量值。依據(jù)氮?dú)夂蜌淝粔毫χ档男?zhǔn)曲線，將測(cè)量的流量值轉(zhuǎn)換為SCCM單位，即為氫腔向空腔冷卻劑腔的竄氣值。

1.2.3 實(shí)施電堆振動(dòng)測(cè)試

樣品A振動(dòng)測(cè)試

在裝置一的六角架多軸振動(dòng)臺(tái)架上根據(jù)G值和替換G值對(duì)應(yīng)的振動(dòng)時(shí)間，對(duì)樣品A實(shí)施相應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的振動(dòng)測(cè)試。樣品A振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，如圖5所示。

樣品A振動(dòng)水平X軸3段的振動(dòng)曲線、水平Y(jié)軸3段的振動(dòng)曲線、水平Z軸3段的振動(dòng)曲線，如圖6到8所示。

（2）樣品B振動(dòng)測(cè)試

在裝置一的六角架多軸振動(dòng)臺(tái)架上根據(jù)G值對(duì)應(yīng)的振動(dòng)時(shí)間，對(duì)樣品B實(shí)施相應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的振動(dòng)測(cè)試。樣品B的振動(dòng)過(guò)程，如圖9 所示。

1.2.4 測(cè)試電堆振動(dòng)后性能數(shù)據(jù)

在兩次燃料電池電堆的振動(dòng)測(cè)試結(jié)束后，分別將樣品A和樣品B移至裝置二的氣密性測(cè)試臺(tái)，進(jìn)行兩塊燃料電池電堆的氣密性測(cè)試，觀察并記錄兩塊燃料電池電堆的變化數(shù)據(jù)。

氣密性測(cè)試方式同初始性能數(shù)據(jù)測(cè)試方式，主要包括向外泄露量測(cè)試和向內(nèi)竄氣量測(cè)試兩部分。分別向燃料電池電堆內(nèi)部充入氮?dú)?，測(cè)試氣體泄露量，記錄并對(duì)比振動(dòng)前后電池電堆的氣密性，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

2 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)表3的氣密性測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，縱向?qū)Ρ热剂想姵仉姸训臍怏w泄露量水平變化情況，燃料電池電堆在振動(dòng)后的氣密性發(fā)生了以下變化：

樣品A氫腔、空腔和冷卻劑腔三大腔體的氣體泄露量快速上升。氫腔在振動(dòng)前后的氣體泄露量從2ML/min增加到12ML/min，增加500%;空腔在振動(dòng)前后的氣體泄露量從5ML/min增加到14ML/min，增加約500%;冷卻劑腔在振動(dòng)前后的氣體泄露量由0ML/min增至6ML/min;氫腔向空竄氣量從174ML/min增加到681ML/min，增加291%。樣品B的氣體氫腔、空腔和冷卻劑腔三大腔體的氣體泄露量與樣品A相比，振動(dòng)前后的氣體泄露量變化水平絕對(duì)值略大于樣品A，氫腔在振動(dòng)前后的氣體泄露量從5ML/min增加到24ML/min，增加380%;空腔在振動(dòng)前后的氣體泄露量從10ML/min增加到42ML/min，增加約320%;冷卻劑腔在振動(dòng)前后的氣體泄露量由0ML/min增至22ML/min;氫腔向空竄氣量從165ML/min增加到662ML/min，增加約301%。

樣品A和樣品B振動(dòng)前后的氣密性下降水平存在一些差別，但樣品A和樣品B振動(dòng)后的氣密性仍能保持良好的氣密性水平。通過(guò)對(duì)這兩塊不同型號(hào)燃料電池電堆的兩次振動(dòng)后氣密性測(cè)試結(jié)果分析可知，燃料電池電堆振動(dòng)后的氣密性水平與其自身尺寸、結(jié)構(gòu)等多方面因素存在相關(guān)性。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)樣品A和樣品B型號(hào)燃料電池電堆的兩次振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)試對(duì)比了振動(dòng)前后兩塊燃料電池電堆的氣密性水平變化情況。對(duì)燃料電池電堆的性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知，兩塊燃料電池電堆在振動(dòng)后的氣密性出現(xiàn)不同幅度的下降。振動(dòng)后的樣品A燃料電池電堆氣體泄露水平增加較小，氣體泄露量絕對(duì)值和變化率也仍在燃料電池生產(chǎn)方的預(yù)想值之內(nèi)。而振動(dòng)后的樣品B氣體泄露水平與樣品A相比較差一些，但氣體密封能力仍保持良好水平。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，氣密性與燃料電池電堆的氫腔結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系。

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作者簡(jiǎn)介

顧平林：（1969—），男，江蘇海安人，本科，助理實(shí)驗(yàn)師（高級(jí)技師）。研究方向：汽車(chē)新技術(shù)應(yīng)用。