新能源汽車燃料電池氣密性能檢測(cè)技術(shù)研究

王勝，黃軍壘

（1.450046 河南省 鄭州市 鄭州信息科技職業(yè)學(xué)院；2.477251 河南省 周口市 河南省氣密性能檢測(cè)工程研究中心；3.450002 河南省 鄭州市 鄭州斯倍斯機(jī)電有限公司）

0 引言

從2001 年開始，國(guó)家出臺(tái)一系列促進(jìn)新能源汽車發(fā)展的相關(guān)政策，我國(guó)新能源汽車行業(yè)歷經(jīng)20 余年發(fā)展，步入新的階段。據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)新能源汽車2021 年1 月～8 月的產(chǎn)銷量分別達(dá)到181.3 萬輛和179.9 萬輛，同比增長(zhǎng)2 倍，市場(chǎng)滲透率超過10%，L2 級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)市場(chǎng)占比達(dá)到20%。

新能源汽車的“三電”系統(tǒng)中，燃料電池的安全關(guān)系“人、車”安全，因此需要針對(duì)燃料電池的安全性能進(jìn)行檢測(cè)，其中燃料電池殼體的密封性能檢測(cè)是電池生產(chǎn)廠家密切關(guān)心的問題[1]。針對(duì)燃料電池檢測(cè)泄漏量是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如何進(jìn)行有效的泄漏量檢測(cè)的問題，本文設(shè)計(jì)了一種新的檢測(cè)系統(tǒng)。

1 燃料電池泄漏檢測(cè)現(xiàn)狀

在新能源汽車電池箱運(yùn)行過程中，需要持續(xù)進(jìn)入濕潤(rùn)的空氣、氫氣，氫氣在電池堆膜片一端消耗后會(huì)出現(xiàn)物理水凝現(xiàn)象[2]。水凝現(xiàn)象中存在的水會(huì)直接干擾電池堆膜片的有效性，間接沖擊電池堆的運(yùn)行效率。在水凝現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生一段時(shí)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(jìn)入電池堆與氧氣發(fā)生化學(xué)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(nèi)，一旦泄漏會(huì)導(dǎo)致車輛行李倉或所處車庫的氫含量超出這一范圍，就會(huì)對(duì)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(fā)熱失控，泄漏有毒煙氣，造成人員傷亡、環(huán)境污染等[4]。

國(guó)內(nèi)新能源汽車的產(chǎn)業(yè)鏈越來越成熟，燃料電池產(chǎn)量越來越大，如何實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)燃料電池的泄漏，是所有廠家共同面對(duì)的問題[5]。目前，普遍采用肥皂法、壓差法和氮?dú)錂z測(cè)法[6]。

2 燃料電池氣密性能檢測(cè)技術(shù)

2.1 肥皂檢測(cè)法

這種方法主要是在燃料電池殼體可能出現(xiàn)泄漏的部位涂抹肥皂水，通過對(duì)殼體進(jìn)排氣孔進(jìn)行密封加壓，觀察涂抹肥皂水的部位是否出現(xiàn)氣泡現(xiàn)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(duì)燃料電池殼體進(jìn)行泄漏檢測(cè)，需要生產(chǎn)企業(yè)投入大量的人力，而且長(zhǎng)時(shí)間的肉眼觀察，也會(huì)造成質(zhì)檢人員的視覺疲勞，產(chǎn)生人為因素的影響，進(jìn)而加大檢測(cè)的誤差率，對(duì)最終產(chǎn)品的殘次率產(chǎn)生影響，目前這種檢測(cè)方法正在被逐漸淘汰[8]。

2.2 差壓檢測(cè)法

目前，針對(duì)殼體密封性能檢測(cè)應(yīng)用較多的是差壓式氣密檢測(cè)，檢測(cè)的原理是一種氣路檢測(cè)[9]。被測(cè)物體內(nèi)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(shí)間的推移，如果壓力傳感器失衡，輸出信號(hào)，說明某一端的某個(gè)部位發(fā)生泄漏，從而達(dá)到精準(zhǔn)檢測(cè)的目的。

2.3 氮?dú)錂z測(cè)法

氮?dú)錂z測(cè)法是一種較為先進(jìn)的氣密性能檢測(cè)方法。該方法對(duì)密封工件的內(nèi)部充入適量的示蹤氣體，通過對(duì)工件表面進(jìn)行示蹤氣體的捕捉檢測(cè)，從而達(dá)到泄漏檢測(cè)的目的。目前，根據(jù)ISO 10156—2017 標(biāo)準(zhǔn)，采用的示蹤氣體主要是由5%的氫氣和95%的氮?dú)饨M成的混合氣體，這種混合氣體的實(shí)用性、安全性、經(jīng)濟(jì)性都比較高[10]。

3 燃料電池氣密性能檢測(cè)臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 檢測(cè)臺(tái)架設(shè)計(jì)要求

本研究設(shè)計(jì)針對(duì)廠家需求，依據(jù)氮?dú)錂z測(cè)法，利用壓差原理，研制一套檢漏設(shè)備，根據(jù)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》標(biāo)準(zhǔn)，不僅能對(duì)燃料電池殼體是否泄漏進(jìn)行檢測(cè)，并能檢測(cè)出泄漏量的數(shù)值。某型號(hào)燃料電池殼體外觀如圖1 所示。

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

根據(jù)需求，設(shè)計(jì)燃料電池氣密檢測(cè)臺(tái)，檢測(cè)臺(tái)檢測(cè)技術(shù)要求如表1 所示。

表1 燃料電池氣密檢測(cè)臺(tái)檢測(cè)要求Tab.1 Test requirements for fuel cell airtightness test bench

檢測(cè)臺(tái)在對(duì)工件進(jìn)行密封檢測(cè)時(shí)，密封位置根據(jù)客戶圖紙要求密封位置進(jìn)行密封，工件表面不能壓傷或變形。檢漏檢測(cè)包含串漏與外漏。

根據(jù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，以氫氣腔為例，泄漏量為0～20 mL/min，如果要得到穩(wěn)定可靠的檢測(cè)結(jié)果，則檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)性應(yīng)控制在10%以內(nèi)，即±5%的波動(dòng)量，結(jié)果誤差應(yīng)穩(wěn)定在±1 mL/min 以內(nèi)。而差壓檢漏儀的最高精度也就是在0.01 mL/min，對(duì)儀器自身的檢測(cè)精度有非常高的要求[11]。

3.2 檢測(cè)臺(tái)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備由機(jī)架、工裝、檢測(cè)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成，具體如下：

（1）下機(jī)架采用8080 方鋼焊接而成，上部采用4040 工業(yè)鋁型材。設(shè)備整體尺寸：長(zhǎng)×寬×高（mm）1 200×700×2 100，不含地腳；工裝夾具采取單工位結(jié)構(gòu)形式，臺(tái)面高度為810 mm；

（2）配置一個(gè)25 W 機(jī)床LED 燈照明，滿足檢測(cè)時(shí)的光照需求；

（3）氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及ISO 標(biāo)準(zhǔn)；

（4）設(shè)備邏輯控制系統(tǒng)由PLC 完成，實(shí)行自動(dòng)操作；

（5）檢測(cè)設(shè)備采用檢漏儀進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果定量顯示，判斷結(jié)果聲光報(bào)警；判定標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)工藝設(shè)置，可以人工修改；

（6）采用加長(zhǎng)直線軸承，以減小擺動(dòng)量；

（7）工件定位采用定位銷，簡(jiǎn)單，方便；

（8）采用工裝快換板，實(shí)現(xiàn)只需更換工裝板就可以一機(jī)多用。

（9）氣缸控制采用雙電控三位五通電磁，既可以實(shí)現(xiàn)氣缸的點(diǎn)動(dòng)控制，也可以在急停時(shí)，氣缸馬上停止動(dòng)作，

（10）設(shè)備電氣分離，互不干涉；

（11）設(shè)備正面裝有安全光柵，同時(shí)采用雙手啟動(dòng)模式，雙重保護(hù)操作人員的安全；

（12）設(shè)備配置一體機(jī)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢。

3.3 檢測(cè)臺(tái)架測(cè)試步驟

檢測(cè)臺(tái)架測(cè)試步驟流程如圖2 所示。

圖2 檢測(cè)臺(tái)架測(cè)試步驟Fig.2 Test steps of test bench

3.4 測(cè)試方法

對(duì)燃料電池殼體進(jìn)行密封性檢測(cè)階段，需要對(duì)氫氣、空氣、水等3 個(gè)腔體都進(jìn)行封堵，對(duì)某一個(gè)腔體進(jìn)行充氣，另外2 個(gè)不充氣，采用1 臺(tái)檢漏儀2 個(gè)差壓傳感器分別測(cè)量各個(gè)腔體的壓力變化[12]。例如對(duì)氫氣腔進(jìn)行充氣，空氣、水2 個(gè)腔不充氣，如果發(fā)生串漏，則空氣腔體或水腔體數(shù)值一定會(huì)有變化，此數(shù)值即為串漏數(shù)值，氫氣腔外漏數(shù)值通過計(jì)算也可得出。然后依次檢測(cè)空氣腔與水腔，即可得到空氣腔與水腔的泄漏值。檢測(cè)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 檢測(cè)臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of test bench

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

將工件裝入檢測(cè)臺(tái)架中，進(jìn)行工裝密封，先進(jìn)性氮?dú)錂z漏，對(duì)工件內(nèi)部充入濃度為5%的安全氫氣，0.2 MPa 氣壓，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)溫濕度適宜。通過氮?dú)錂z測(cè)儀讀數(shù)，可確定各漏點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，若該檢測(cè)點(diǎn)泄漏量極小，則氮?dú)錂z測(cè)儀讀數(shù)為0，對(duì)于超標(biāo)漏點(diǎn)，則需要進(jìn)行后續(xù)修補(bǔ)。各漏點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 氮?dú)錂z測(cè)各漏點(diǎn)數(shù)據(jù)Tab.2 Data of each leakage point in nitrogen and hydrogen detection

之后進(jìn)行差壓檢測(cè)，可以對(duì)工件的整體漏率進(jìn)行鑒定。將燃料電池殼體密封工裝檢測(cè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換至差壓式氣密檢漏儀進(jìn)行檢測(cè)，不需要2 次封裝，記錄多次檢測(cè)的數(shù)據(jù)。該檢測(cè)狀態(tài)需要預(yù)先在燃料電池殼體上設(shè)計(jì)兩個(gè)漏孔，漏孔1 和漏孔2。檢測(cè)設(shè)備連接漏孔1 和漏孔2 進(jìn)行檢測(cè)，兩個(gè)漏孔設(shè)計(jì)的流速不同。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如表 3 所示，檢測(cè)數(shù)據(jù)單位選用Pa·(m3/s)。

表3 差壓檢測(cè)各漏點(diǎn)數(shù)據(jù)Tab.3 Data of each leakage point in differential pressure detection

試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用氮?dú)錂z測(cè)，最大泄漏量為7.13E-6 Pa·(m3/s)，可以有效檢測(cè)工件的漏點(diǎn)，并進(jìn)行標(biāo)定，為后續(xù)的修補(bǔ)提供幫助。采用差壓檢測(cè)，也可以有效檢測(cè)各漏點(diǎn)，檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

為保證新能源汽車及駕乘人員的安全，燃料電池不發(fā)生泄漏是技術(shù)關(guān)鍵。本文針對(duì)某型號(hào)新能源汽車燃料電池殼體進(jìn)行了密封性能檢測(cè)方法的研究，設(shè)計(jì)了一款檢測(cè)臺(tái)架，并進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該臺(tái)架能夠有效檢測(cè)燃料電池殼體的泄露，并能精準(zhǔn)計(jì)算泄漏量，判斷被檢測(cè)工件是否符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確可靠地檢測(cè)燃料電池殼體質(zhì)量的目的。