振动对燃料电池电堆气密性的影响分析

顾平林 姜于亮 谢庆诗

摘 要：为了解振动对燃料电池电堆气密性的影响，本文依据SAE J2380-2018的振动标准，利用多轴振动台架和气密性测试台对两个燃料电池电堆样品进行振动试验，测得了燃料电池电堆样品在振动前后的气密性变化结果。试验结果表明：振动对燃料电池电堆的气密性有一定的影响，样品的气密性均有所下降，燃料电池电堆的气密性与尺寸和结构等有一定的关系。

关键词：燃料电池电堆 振动 机械完整性 样品 气密性

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

由于燃料电池具有工作温度要求低、电解质材料安全性好等独特优点，目前已逐渐应用于商用客车领域，但在实际驾驶环境中，燃料电池在振动环境下表现脆弱，且适应性差[1]。作为一种把氢气和氧化剂中的化学能转化成电能的发电装置，燃料电池堆的气密安全问题非常重要，因此研究振动对电池堆气密性的影响，对于燃料电池的稳定运行和进一步推广应用具有重大意义。

采用样品A、B的燃料电池堆进行振动耐久试验，通过极化曲线对其电性能进行分析，同时对该燃料电池的气密性进行研究。

1 振动实验设计

车用燃料电池堆，其性能的衰减受到自身设计的工艺及集成水平、系统控制策略、材料性能、工作环境的影响[2]。对于燃料电池堆经历振动后的电性能及气密性分析能够最直观地反映这种衰减特性。本文即利用三综合振动台及燃料电池性能试验台进行相关特性的综合研究。

1.1 电池电堆振动实验装置

1.1.1 多轴振动台架

多轴振动台架是由计算机控制的伺服液压系统。六角架多轴振动台架（MAST）结构包括三个竖向作动器、三个横向作动器、轻型振动台、旋转作动缸、液压动力系统和控制系统，各部分的通信关系，如图1所示。

本次试验使用的六角架多轴振动台架（MAST）能够灵活地实现燃料电池电堆在六自由度上的各种單独和复合运动形式，能够在实验室内高效率和高还原度地模拟预期服务环境，能够重复加速地模拟复杂的振动现象。

1.1.2 气密性测试台

使用DDCS-5气密性测试测试设备进行燃料电池电堆的气密性测试，如图2所示。DDCS-5气密性测试设备是专门针对电堆气密性检测的测试装置，由减压阀、球阀、压力传感器、压力表、电磁阀、单向阀、管路、卡套连接件、金属软管等组成的气密性检测系统及不锈钢烤漆箱体、底部带刹车的福马轮等构成。DDCS-5气密性测试台具有过滤、单向、便携和可移动等功能，并配有方便连接驱动气源的金属软管与设备连接[3]。

1.2 电堆振动实验步骤

本文中测试使用的PEMFC具体结构如下：燃料单电池装配在两块非金属复合材料的终板和两块由螺栓和螺母组成的集流体之间，电堆的电解质由PEM材料构成。本次测试使用样品A和样品B两块燃料电池电堆进行振动测试实验，电池电堆的具体参数数据如表1所示。

振动测试试验的具体试验过程主要包括以下四个部分：设置振动台、测试振动前性能数据、测试振动后性能数据、对比分析振动前后测试收据。具体试验流程，如图3所示。

1.2.1 电堆振动测试台的设置

目前国内尚无燃料电池电堆振动测试标准，现基于SAE J2380-2018的振动标准[1]，本文为样品A的每个垂直轴、纵向轴和横向轴选定常规G值和表2中的替换G值设置振动台，振动的时长则是根据G值确定。样品A振动测试的振动台设置参数，如表2所示，振动频谱如图4所示。

振动台操作过程中，在所有电缆已正确连接，试件、传感器正确安装，传感器线、驱动线都已连接等准备工作确认完毕后，检查下列事项。首先，若有热交换器（水冷台），启动热交换器，需打开外循环水。其次，若需要使用外接油源，启动外接油源，水冷型油源需打开外循环水。其次，确认功率放大器SCU-200的INPUT SELECT选择。在控制仪、电脑上架型，远程控制型，功放背面驱动输入中确认选择A，在前面板驱动输入中确认选择B。最后，将功率放大器的GAIN按钮从逆时针方向旋转到底并开始试验。

在试验结束后，进行以下停机操作：首先，退出控制仪的振动控制程序。将功率放大器SCU-200面板上的GAIN电位器从逆时针方向旋转到RESET位置。其次，按下SCU-200面板伤的POWER OFF开关，打开指示灯熄灭，进入冷却状态。大约三分钟后，风机停止工作，进入LINE状态。其次，关闭电源和电气控制面板上的漏电断路器。其次，水平振动时，水平台油泵电源关闭，水冷台关闭热交换器。最后，关闭控制仪或信号源电源。

1.2.2 电堆振动前性能数据

通过初始燃料电池电堆的气密性测试，来获取振动测试前的燃料电池电堆性能数据，见表3，用于后续与振动后的电堆性能数据进行对比和分析。

气密性测试主要包括向外泄露量测试和向内窜气量测试两部分。在外泄漏量测试中，需在常温下向电池电堆的氢腔、空腔和冷却剂腔充入氮气，逐渐增加压力值达到标称压力1.5倍，当腔体入口气压稳定时，使用装置二测试台上的流量计测量10分钟内的气体泄露量;在内窜气量测试中，需在氢气入口安装稳压计和流量计，从氢气入口向氢腔充入氮气，逐步将氢腔的压力值提高至50kPa，稳定压力值不变至流量值稳定不变，记录流量值。依据氮气和氢腔压力值的校准曲线，将测量的流量值转换为SCCM单位，即为氢腔向空腔冷却剂腔的窜气值。

1.2.3 实施电堆振动测试

样品A振动测试

在装置一的六角架多轴振动台架上根据G值和替换G值对应的振动时间，对样品A实施相应时长的振动测试。样品A振动测试试验台，如图5所示。

样品A振动水平X轴3段的振动曲线、水平Y轴3段的振动曲线、水平Z轴3段的振动曲线，如图6到8所示。

（2）样品B振动测试

在装置一的六角架多轴振动台架上根据G值对应的振动时间，对样品B实施相应时长的振动测试。样品B的振动过程，如图9 所示。

1.2.4 测试电堆振动后性能数据

在两次燃料电池电堆的振动测试结束后，分别将样品A和样品B移至装置二的气密性测试台，进行两块燃料电池电堆的气密性测试，观察并记录两块燃料电池电堆的变化数据。

气密性测试方式同初始性能数据测试方式，主要包括向外泄露量测试和向内窜气量测试两部分。分别向燃料电池电堆内部充入氮气，测试气体泄露量，记錄并对比振动前后电池电堆的气密性，测试结果见表3。

2 振动实验结果分析

通过表3的气密性测试数据对比，纵向对比燃料电池电堆的气体泄露量水平变化情况，燃料电池电堆在振动后的气密性发生了以下变化：

样品A氢腔、空腔和冷却剂腔三大腔体的气体泄露量快速上升。氢腔在振动前后的气体泄露量从2ML/min增加到12ML/min，增加500%;空腔在振动前后的气体泄露量从5ML/min增加到14ML/min，增加约500%;冷却剂腔在振动前后的气体泄露量由0ML/min增至6ML/min;氢腔向空窜气量从174ML/min增加到681ML/min，增加291%。样品B的气体氢腔、空腔和冷却剂腔三大腔体的气体泄露量与样品A相比，振动前后的气体泄露量变化水平绝对值略大于样品A，氢腔在振动前后的气体泄露量从5ML/min增加到24ML/min，增加380%;空腔在振动前后的气体泄露量从10ML/min增加到42ML/min，增加约320%;冷却剂腔在振动前后的气体泄露量由0ML/min增至22ML/min;氢腔向空窜气量从165ML/min增加到662ML/min，增加约301%。

样品A和样品B振动前后的气密性下降水平存在一些差别，但样品A和样品B振动后的气密性仍能保持良好的气密性水平。通过对这两块不同型号燃料电池电堆的两次振动后气密性测试结果分析可知，燃料电池电堆振动后的气密性水平与其自身尺寸、结构等多方面因素存在相关性。

3 结论

通过对样品A和样品B型号燃料电池电堆的两次振动试验，测试对比了振动前后两块燃料电池电堆的气密性水平变化情况。对燃料电池电堆的性能测试结果对比可知，两块燃料电池电堆在振动后的气密性出现不同幅度的下降。振动后的样品A燃料电池电堆气体泄露水平增加较小，气体泄露量绝对值和变化率也仍在燃料电池生产方的预想值之内。而振动后的样品B气体泄露水平与样品A相比较差一些，但气体密封能力仍保持良好水平。从试验结果来看，气密性与燃料电池电堆的氢腔结构有一定的关系。

参考文献：

[1]王金龙.车用质子交换膜燃料电池及其混合动力系统性能研究[D].吉林大学 2007.

[2]王旭峰.燃料电池混合动力机车建模及能量管理策略研究[D]. 西南交通大学，2012.

[3]裴冯来，欧阳云瀚.强化道路振动谱影响下的燃料电池电性能与气密性衰减规律[J].储能科学与技术，2021，02：719-.

作者简介

顾平林：（1969—），男，江苏海安人，本科，助理实验师（高级技师）。研究方向：汽车新技术应用。