振動對燃料電池電堆氣密性的影響分析

顧平林 姜于亮 謝慶詩

摘 要：為了解振動對燃料電池電堆氣密性的影響，本文依據(jù)SAE J2380-2018的振動標(biāo)準(zhǔn)，利用多軸振動臺架和氣密性測試臺對兩個燃料電池電堆樣品進行振動試驗，測得了燃料電池電堆樣品在振動前后的氣密性變化結(jié)果。試驗結(jié)果表明：振動對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 機械完整性 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)材料安全性好等獨特優(yōu)點，目前已逐漸應(yīng)用于商用客車領(lǐng)域，但在實際駕駛環(huán)境中，燃料電池在振動環(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題非常重要，因此研究振動對電池堆氣密性的影響，對于燃料電池的穩(wěn)定運行和進一步推廣應(yīng)用具有重大意義。

采用樣品A、B的燃料電池堆進行振動耐久試驗，通過極化曲線對其電性能進行分析，同時對該燃料電池的氣密性進行研究。

1 振動實驗設(shè)計

車用燃料電池堆，其性能的衰減受到自身設(shè)計的工藝及集成水平、系統(tǒng)控制策略、材料性能、工作環(huán)境的影響[2]。對于燃料電池堆經(jīng)歷振動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臺及燃料電池性能試驗臺進行相關(guān)特性的綜合研究。

1.1 電池電堆振動實驗裝置

1.1.1 多軸振動臺架

多軸振動臺架是由計算機控制的伺服液壓系統(tǒng)。六角架多軸振動臺架（MAST）結(jié)構(gòu)包括三個豎向作動器、三個橫向作動器、輕型振動臺、旋轉(zhuǎn)作動缸、液壓動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，各部分的通信關(guān)系，如圖1所示。

本次試驗使用的六角架多軸振動臺架（MAST）能夠靈活地實現(xiàn)燃料電池電堆在六自由度上的各種單獨和復(fù)合運動形式，能夠在實驗室內(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)雜的振動現(xiàn)象。

1.1.2 氣密性測試臺

使用DDCS-5氣密性測試測試設(shè)備進行燃料電池電堆的氣密性測試，如圖2所示。DDCS-5氣密性測試設(shè)備是專門針對電堆氣密性檢測的測試裝置，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系統(tǒng)及不銹鋼烤漆箱體、底部帶剎車的福馬輪等構(gòu)成。DDCS-5氣密性測試臺具有過濾、單向、便攜和可移動等功能，并配有方便連接驅(qū)動氣源的金屬軟管與設(shè)備連接[3]。

1.2 電堆振動實驗步驟

本文中測試使用的PEMFC具體結(jié)構(gòu)如下：燃料單電池裝配在兩塊非金屬復(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。本次測試使用樣品A和樣品B兩塊燃料電池電堆進行振動測試實驗，電池電堆的具體參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

振動測試試驗的具體試驗過程主要包括以下四個部分：設(shè)置振動臺、測試振動前性能數(shù)據(jù)、測試振動后性能數(shù)據(jù)、對比分析振動前后測試收據(jù)。具體試驗流程，如圖3所示。

1.2.1 電堆振動測試臺的設(shè)置

目前國內(nèi)尚無燃料電池電堆振動測試標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)基于SAE J2380-2018的振動標(biāo)準(zhǔn)[1]，本文為樣品A的每個垂直軸、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)置振動臺，振動的時長則是根據(jù)G值確定。樣品A振動測試的振動臺設(shè)置參數(shù)，如表2所示，振動頻譜如圖4所示。

振動臺操作過程中，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)動線都已連接等準(zhǔn)備工作確認完畢后，檢查下列事項。首先，若有熱交換器（水冷臺），啟動熱交換器，需打開外循環(huán)水。其次，若需要使用外接油源，啟動外接油源，水冷型油源需打開外循環(huán)水。其次，確認功率放大器SCU-200的INPUT SELECT選擇。在控制儀、電腦上架型，遠程控制型，功放背面驅(qū)動輸入中確認選擇A，在前面板驅(qū)動輸入中確認選擇B。最后，將功率放大器的GAIN按鈕從逆時針方向旋轉(zhuǎn)到底并開始試驗。

在試驗結(jié)束后，進行以下停機操作：首先，退出控制儀的振動控制程序。將功率放大器SCU-200面板上的GAIN電位器從逆時針方向旋轉(zhuǎn)到RESET位置。其次，按下SCU-200面板傷的POWER OFF開關(guān)，打開指示燈熄滅，進入冷卻狀態(tài)。大約三分鐘后，風(fēng)機停止工作，進入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，水平振動時，水平臺油泵電源關(guān)閉，水冷臺關(guān)閉熱交換器。最后，關(guān)閉控制儀或信號源電源。

1.2.2 電堆振動前性能數(shù)據(jù)

通過初始燃料電池電堆的氣密性測試，來獲取振動測試前的燃料電池電堆性能數(shù)據(jù)，見表3，用于后續(xù)與振動后的電堆性能數(shù)據(jù)進行對比和分析。

氣密性測試主要包括向外泄露量測試和向內(nèi)竄氣量測試兩部分。在外泄漏量測試中，需在常溫下向電池電堆的氫腔、空腔和冷卻劑腔充入氮氣，逐漸增加壓力值達到標(biāo)稱壓力1.5倍，當(dāng)腔體入口氣壓穩(wěn)定時，使用裝置二測試臺上的流量計測量10分鐘內(nèi)的氣體泄露量;在內(nèi)竄氣量測試中，需在氫氣入口安裝穩(wěn)壓計和流量計，從氫氣入口向氫腔充入氮氣，逐步將氫腔的壓力值提高至50kPa，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)氮氣和氫腔壓力值的校準(zhǔn)曲線，將測量的流量值轉(zhuǎn)換為SCCM單位，即為氫腔向空腔冷卻劑腔的竄氣值。

1.2.3 實施電堆振動測試

樣品A振動測試

在裝置一的六角架多軸振動臺架上根據(jù)G值和替換G值對應(yīng)的振動時間，對樣品A實施相應(yīng)時長的振動測試。樣品A振動測試試驗臺，如圖5所示。

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

（2）樣品B振動測試

在裝置一的六角架多軸振動臺架上根據(jù)G值對應(yīng)的振動時間，對樣品B實施相應(yīng)時長的振動測試。樣品B的振動過程，如圖9 所示。

1.2.4 測試電堆振動后性能數(shù)據(jù)

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

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

2 振動實驗結(jié)果分析

通過表3的氣密性測試數(shù)據(jù)對比，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。氫腔在振動前后的氣體泄露量從2ML/min增加到12ML/min，增加500%;空腔在振動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，振動前后的氣體泄露量變化水平絕對值略大于樣品A，氫腔在振動前后的氣體泄露量從5ML/min增加到24ML/min，增加380%;空腔在振動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振動后的氣密性仍能保持良好的氣密性水平。通過對這兩塊不同型號燃料電池電堆的兩次振動后氣密性測試結(jié)果分析可知，燃料電池電堆振動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

通過對樣品A和樣品B型號燃料電池電堆的兩次振動試驗，測試對比了振動前后兩塊燃料電池電堆的氣密性水平變化情況。對燃料電池電堆的性能測試結(jié)果對比可知，兩塊燃料電池電堆在振動后的氣密性出現(xiàn)不同幅度的下降。振動后的樣品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。從試驗結(jié)果來看，氣密性與燃料電池電堆的氫腔結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系。

參考文獻：

[1]王金龍.車用質(zhì)子交換膜燃料電池及其混合動力系統(tǒng)性能研究[D].吉林大學(xué) 2007.

[2]王旭峰.燃料電池混合動力機車建模及能量管理策略研究[D]. 西南交通大學(xué)，2012.

[3]裴馮來，歐陽云瀚.強化道路振動譜影響下的燃料電池電性能與氣密性衰減規(guī)律[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2021，02：719-.

作者簡介

顧平林：（1969—），男，江蘇海安人，本科，助理實驗師（高級技師）。研究方向：汽車新技術(shù)應(yīng)用。