氫燃料電池電堆**性測試項目研究
中國正在緊鑼密鼓地開(kāi)發(fā)研制各種車(chē)用燃料電池，以節約汽車(chē)能源及改善尾氣排放。如何解決氫燃料電池帶來(lái)的**性成為科研人員迫切研究的重大課題。
目前全球石油緊缺，各種清潔能源汽車(chē)得到了廣泛的發(fā)展，例如純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、燃氣汽車(chē)等。同時(shí)也出現了各種以氫燃料電池為動(dòng)力的車(chē)輛。然而，氫燃料電池電堆的**性問(wèn)題也逐漸成為阻礙燃料電池汽車(chē)發(fā)展的*關(guān)鍵因素之一。因此將針對氫燃料電池電堆的**性測試項目進(jìn)行研究。
1. 氫燃料電池原理
氫燃料電池是以氫氣和氧氣（空氣）為反應氣體，利用質(zhì)子交換膜技術(shù)實(shí)現氫氣的氧化和氧氣的還原，從而產(chǎn)生電壓和反應生成的水。
1.1 在電池的一端, 氫氣通過(guò)導氣板到達陽(yáng)極，在催化劑的作用下，發(fā)生如下陽(yáng)極反應：
反應生成物中，氫離子(質(zhì)子)穿過(guò)陽(yáng)極和陰極之間的固體電解質(zhì)膜到達陰極，電子通過(guò)外電路也到達陰極。
1.2 在電池的另一端，氧氣通過(guò)導氣板到達陰極，在催化劑的作用下，發(fā)生陰極反應。
1.3 總的化學(xué)反應反應出
連續不斷地向電池輸送氫氣和氧氣，電子就會(huì )在外電路連續運動(dòng)形成電流，從而可以向負載輸出電能。
2. 車(chē)用氫燃料電池電堆**性分析
如圖2所示，1、3為端板，2、6為密封墊片，3、5為電流收集片，4為質(zhì)子交換膜組件。此圖是單片電堆，實(shí)際車(chē)用的電堆少則幾十片，多則上百片。
影響氫燃料電池電堆**性的因素主要有以下幾個(gè)方面：
2.1 電**性：轎車(chē)用單個(gè)電堆工作時(shí)輸出電壓*高可達150V，多個(gè)電堆串聯(lián)后電壓更高。如此之高的輸出電壓對車(chē)內乘客的**造成威脅，這就對電堆的絕緣強度和介電強度提出了要求。在這個(gè)方面，電堆的**性和電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池的**性有著(zhù)共通之處，例如對絕緣等級、介電強度、高壓防護等方面的要求。
2.2 氫氣**性：氫燃料電池電堆工作時(shí)需要通入大量的氫氣。眾所周知，氫氣是可燃易爆氣體，其爆炸濃度限值范圍甚廣，見(jiàn)表1。
表1各種車(chē)用可燃氣/液體爆炸體積容限
從表1可以看出，氫氣的爆炸體積容限從13—59%都有可能發(fā)生爆炸。那么，需要分析在何種情況下氫氣會(huì )泄漏以及泄漏后何種情況可能引爆氫氣。這就需要將電堆的電**性和氫氣**性綜合考慮。
2.3 綜合分析電堆氫爆炸因素
2.3.1 可能造成氫泄漏的環(huán)節：針對電堆本身來(lái)說(shuō)，氫的泄漏點(diǎn)主要有兩處，**處是氫氣供給接口，另外一處是多片電堆的層疊間隙處。當電堆受到外部機械撞擊時(shí)，其自身的機械機構會(huì )發(fā)生變化，造成原有密封結構的破壞，導致氫氣泄漏。而電堆的氫氣供給接口除了在被破壞時(shí)會(huì )導致泄漏之外，也要考慮氫氣供氣系統失效導致氫氣供給壓力過(guò)高而帶來(lái)的不穩定因素。
2.3.2 可能引爆氫氣的環(huán)節：當發(fā)生碰撞時(shí)，電堆自身或與車(chē)身金屬件之間的碰撞摩擦可能產(chǎn)生火花，火花可能引爆泄漏的氫氣。
此外，當電堆機械結構因外力的施加而產(chǎn)生形變，造成極間短路；因某些尖銳金屬物體刺入電堆，引起極間短路。極間短路直接導致的后果是產(chǎn)生電火花，也是引爆氫氣的因素。
經(jīng)過(guò)對氫燃料電池電堆**性因素的分析，認為電堆的很多危險環(huán)節的相關(guān)評定方法和測試項目都可以參考現有的車(chē)用儲能裝置及燃氣汽車(chē)的相關(guān)標準。從這些標準中提取中可以用于氫燃料電池電堆的**性測試項目，在結合氫燃料電池自身的特點(diǎn)，可以初步制定氫燃料電池電堆的**性測試項目及基本試驗方法。
3. 國內車(chē)用儲能裝置的測試項目
目前國內頒布的電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)的車(chē)用儲能裝置的標準主要有：
GB/T 18384.1-2001電動(dòng)汽車(chē)**要求第1部分：車(chē)載儲能裝置；
GB/T 18332.2-2001電動(dòng)道路車(chē)輛用金屬氫化物鎳蓄電池；
GB/Z 18333.1-2001電動(dòng)道路車(chē)輛用鋰離子蓄電池。
以上標準中針對電動(dòng)汽車(chē)用蓄電池中與氫燃料電池相關(guān)的測試項目主要包括以下幾個(gè)方面：
絕緣電阻、介電強度
極間短路
耐振動(dòng)、沖擊
耐高溫、高濕
抗擠壓、穿刺
耐浸泡
4. 國內燃氣汽車(chē)的**性測試項目
目前國內頒布的燃氣汽車(chē)的**性標準主要有：
《GB18047-2000車(chē)用壓縮天然氣》
《GB17258—1998汽車(chē)用壓縮天然氣鋼瓶》
《GB19159-2003車(chē)用液化石油氣》
《GB17259—1998機動(dòng)車(chē)用液化石油氣鋼瓶》
以上標準中，和氫燃料電池電堆**性相關(guān)的測試項目主要是氣路、水路等的耐壓性測試。
5. 氫燃料電池電堆的**性測試項目
根據車(chē)用氫燃料電池電堆在整車(chē)行駛/停放時(shí)的實(shí)際工作環(huán)境和狀態(tài)，考慮氫燃料電池汽車(chē)的各種事故情況，參考車(chē)用儲能裝置和燃氣汽車(chē)的現行標準和試驗項目，針對車(chē)用氫燃料電池電堆的特殊原理結構，對電堆的**性測試項目進(jìn)行分析研究。
經(jīng)過(guò)分析研究，認為氫燃料電池電堆的**性測試項目和基本方法主要包括以下幾個(gè)方面：
5.1 電氣**特性
絕緣電阻：通過(guò)絕緣電阻測試儀將1000V的交流電壓（50Hz或60 Hz）或1600V的直流電壓連接至電堆的電極及外殼的金屬、非金屬部位，在不同的溫濕度環(huán)境下監測絕緣電阻值。
介電強度：通過(guò)介電強度測試儀將1000V的交流電壓（50Hz或60 Hz）或1600V的直流電壓連接至電堆的電極及外殼的金屬、非金屬部位保持1min，在不同的溫濕度環(huán)境下監測電流值。
極間短路：將大電流接觸器的觸點(diǎn)兩端分別連接到電堆輸出的正、負極，監測接觸器接通周期內電堆輸出電壓、電流、單片電壓、溫度等重要參數的變化。
5.2 耐環(huán)境特性
高溫、濕熱：在一定的溫、濕度環(huán)境下工作，觀(guān)察電堆的工作狀態(tài)、機械部件耐高溫特性以及結露情況。
振動(dòng)、沖擊：通過(guò)振動(dòng)/沖擊試驗臺對電堆XYZ三個(gè)方向的抗振動(dòng)/沖擊能力進(jìn)行測試，觀(guān)察電堆機械結構的松脫、開(kāi)裂等情況。
跌落：將電堆從1.5m高度自由落體到硬木質(zhì)地板，觀(guān)察外殼損壞情況后進(jìn)行其他諸如絕緣電阻、介電強度、耐壓等試驗。
浸泡：將電堆浸泡于水中或一定濃度的鹽水中一段時(shí)間，觀(guān)察外殼銹蝕/腐蝕情況。浸泡后進(jìn)行其他試驗。
5.3 機械強度
擠壓、穿刺：通過(guò)擠壓/穿刺試驗臺對電堆的相關(guān)機械強度進(jìn)行考核?？煞譃槿齻€(gè)方向。試驗過(guò)程中對電堆的輸出電壓、電流、單片電壓、溫度等重要參數進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。
耐壓：通過(guò)耐壓試驗臺對電堆的氣路、水路的耐壓情況進(jìn)行測試，可選用*大工作壓力的3至5倍壓力進(jìn)行測試，包括耐壓測試和保壓測試。
6. 結束語(yǔ)
6.1 氫燃料電池汽車(chē)所使用的電堆，因為能輸出電量，驅動(dòng)電動(dòng)機工作而使車(chē)輛前進(jìn)，具有純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)所使用的動(dòng)力蓄電池的電氣特征，因此很多**試驗項目都可以參考電動(dòng)車(chē)用儲能系統的相關(guān)標準。
6.2 氫燃料電池電堆的工作需要依靠外圍氫氣、氧氣供給系統和流量控制系統、空氣加濕系統、冷卻水循環(huán)系統，而且也涉及到可燃氣體H2，所以燃氣汽車(chē)的相關(guān)測試項目也能運用到氫燃料電池電堆的**性測試中。
6.3 因為目前國內外尚無(wú)針對氫燃料電池電堆的相關(guān)標準，所以本文所述的試驗項目中的具體參數，如試驗時(shí)間、溫度、壓力等，需要針對電堆開(kāi)展相應的**性測試，有了數據的積累方能確定這些參數。
6.4 為了*大程度的模擬電堆在整車(chē)實(shí)際行駛/停放時(shí)的真實(shí)工作狀態(tài)，在**性測試過(guò)程中，如果條件允許，盡量使電堆處于工作狀態(tài)下。那么，電堆工作狀態(tài)的不同，對**性測試數據結果的影響還需要大量的試驗研究。
6.5 電堆的工作需要外圍氫氣、氧氣/空氣、冷卻水等設備的支持。這些設備具有自身或總體的控制系統?？刂葡到y的**保護功能在較大程度上降低了氫氣泄漏和電堆極間短路的危險。因此，在未來(lái)有必要結合電堆的外圍供給系統和電堆自身來(lái)綜合考慮氫燃料電池系統的**性測試評估。
---轉載
貝爾公司生產(chǎn)和銷(xiāo)售的產(chǎn)品主要有Main Products Produced and Sold：
環(huán)境試驗設備：老化房，步入式恒溫恒濕試驗室，恒溫恒濕箱，高低溫
試驗箱，快速升降溫試驗箱，
冷熱沖擊試驗箱，鹽霧試驗機，智能型干燥試驗箱，
紫外線(xiàn)耐候試驗箱等
紙品檢測設備：跌落試驗機，電子破裂強度試驗機，紙箱抗壓試驗機，環(huán)壓/邊壓試驗機，模擬汽車(chē)運輸振動(dòng)臺，油墨脫色試驗機，層間剝離強度試驗機，萬(wàn)能材料試驗機等
手機/電池檢測設備：電池沖擊試驗機，電池擠壓試驗機，電池針刺試驗機，手機跌落試驗機，電磁振動(dòng)臺，RCA紙帶耐磨試驗機，酒精耐磨試驗機等
東莞市貝爾試驗設備有限公司
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