车用质子交换膜燃料电池堆性能测试方法研究

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第1期

BUS & COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH

No. 1

2018

车用质子交换膜燃料电池堆性能测试方法研究

郭婷，吴迪，文醉，梁聪，王芳，樊彬

(中国汽车技术研究中心，天津300300)

摘要：介绍各国对车用质子交换膜燃料电池堆的测试标准情况,提出针对我国燃料电池堆的检测方 案，主要对其气密性、机械检查、性能测试、冷启动、寿命测试以及关键参数的灵敏度测试的方法进行 详细阐述。

关键词：质子交换膜；燃料电池堆；性能测试中图分类号：U467. 3

文献标志码:A

文章编号：1006-3331(2018)01-0056-04

Performance Test of PEM Fuel Cell Stack for Vehicle Application

Guo Ting, Wu Di, Wen Zui, Liang Cong, Wang Fang, Fan Bin (China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300，China)

Abstract :The paper introduces the situation on test standards of proton exchange membrane fuel cell stack

for vehicle application, presents the test project aiming at the national fuel cell stacks, and detailedly elabo­rates the test methods about the gas leak detection, mechanical check, performance test, cold starting, du­rability test and the key parameters sensitivity test.

Key words：PEM； FC stack； performance test

i

概述

质子交换膜燃料电池作为小型的发电机，因其具

电池发动机性能试验方法》[3]、GB/T 26990-2011《燃 料电池电动汽车车载系统技术条件》[4]等相关标准。 但是对于燃料电池系统的重要组成部件——

燃料电

池堆的性能测试和安全性能并没有相关的标准要求。 对于燃料电池汽车来说,安全是第一位，特别是以氢 气为燃料的质子交换膜燃料电池。燃料电池堆作为 燃料电池汽车的核心部件，安全性测试应该覆盖机 械、电气和热温度，应该制定关于安全性的法律法规 文件，以推动产业的健康发展。

不同的测试体系对燃料电池堆的测试方法也有 所不同。SAE 2617-2011《车用燃料电池堆子系统试 验性能推荐规程》[5]中提出，对燃料电池堆的性能测 试应包括开路电压测试、极化曲线测试、气密性测试、 参数扫描测试、怠速测试、动力学响应测试等,但是有 些测试并不适合我国现有的测试基准,如参数扫描中 对稀释的燃料和空气进行灵敏度测试等，并且其气密 性只针对外漏情况,对于内漏并没有解决方案。JIS

C8831-2008《静态聚合物电解液燃料电池堆的安全

有能量转化率高，操作温度低,产物无污染以及启停 速度快等优点[|]，受到了各国的重视。它被认为最有 希望成为未来的高效能量转换装置，可以作为汽车、船舶、小型移动电源的能源动力系统。我国正在加快 燃料电池汽车的产业化进程，但在燃料电池堆的性能 和安全方面并没有相关的标准要求。为了推动我国 燃料电池的发展，应尽早制定燃料电池堆的相关标 准,使我国燃料电池堆技术早日达到国际先进水平。

国际电工委员会（IEC),美国汽车工程协会 (SAE),欧洲的 FCH JU303445 ( Stack - Test Master

Document-TM 2.00),日本的工业标准协会（JIS),

欧洲的一些项目FCTESTNET和FCTES,都针对燃料 电池的性能提出统一的测试方案。我国燃料电池技 术的标准工作主要由全国燃料电池和液流电池标准 化委员会承担，已经制定了 GB/T 249-2009《燃料 电池电动汽车安全要求》[2]、GB/T 245-2009《燃料

支持项目：中国汽车技术研究中心天津汽车检测中心课题《车用燃料电池堆关键物理量测量技术研究》（课题号JXY1718001) 作者简介：郭婷（1990—），女，博士;工程师;研究方向为燃料电池测试评价技术。

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评估试验》[6]也提出对质子交换膜燃料电池堆的安 全性测试方法，包括冷却系统的耐压测试、绝缘测试、 短路测试等，但其没有对车用燃料电池堆进行如极化 曲线、开路电压等性能测试。FCH JU 303445-2011 《电堆测试文件》[7]更注重电池堆测试操作条件，特 别是对环境测试的影响，可以分为机械、气候、化学、 电磁等，提出温度、湿度、压力的灵敏度对燃料电池堆 性能有一定的影响，但其忽略了电池堆本身的性能测 试,如极化曲线和外部的机械检查等。

我国在推动燃料电池堆自主发展的过程中，成 本、寿命、性能是影响其商业化的主要因素。我国应 更加注重燃料电池堆本身对环境的适应性和寿命，降 低关键材料如Pb等的使用。而现有的测试标准中并 没有提到冷启动、耐久性等评价燃料电池堆性能的关 键影响因素，并且气密性等测试方法并不符合我国燃 料电池堆的测试需要。所以对于车用燃料电池堆的 性能测试方案值得深入研究，应该提出适应我国现状 的测试项目与方法。现阶段我国还没有行业统一的 燃料电池堆的性能测试及评估方案，基于参考国际上 先进的燃料电池测试标准，本文意在提出针对我国车 用燃料电池堆较全面的测试方案，更好地制定燃料电 池堆的性能评价指标，同时针对现有的一些测试方法 进行优化，包括对气密性测试方法的改进建议;针对 燃料电池堆提出机械安全的测试内容,如振动、挤压、 跌落;同时针对燃料电池堆的寿命预测提出基于车用 工况条件下的测试方法,并提出燃料电池堆对参数灵 敏度的考量，包括氢气、空气的化学计量比，温度，压 力等;基于我国环境的多样性,又提出冷启动的测试 内容，具体介绍如下。

2燃料电池堆性能测试方案 2. 1

气密性测试

燃料电池气密性对燃料电池堆的安全性很重要，

氢气的气密性检测和燃料电池堆的气密性检测也应 该放在性能测试和寿命测试的前面。目前国内生产 的燃料电池堆可以参考国标GB/T 245-2009[3]中 的气密性测试。检查氢气气密性时，关闭燃料电池堆 的进气阀和排气端口，可以在氢气进气端口充入氮 气，设定一定的压力值,保压一段时间后观察压力的 下降值。在检查燃料电池堆的气密性时，关闭燃料电

池堆的排气端口、空气端口和冷却液出口，同时向氢 气流道、空气流道和冷却液流道加注氮气，设定一定 的工作压力值，压力稳定后关闭进气阀门，保压一段 时间后，气体的压力不得低于初始压力的85%。另 外，除了气密性检测，也应该在燃料电池堆的外壳内 部采取必要的措施来防止氢气集聚，及时将氢气排除 于燃料电池堆外。

对于一些国外生产的电池堆，由于对电池堆的程 序进行了锁定，因而无法通过压力的下降值对其进行 气密性检测，可以通过计算阳极到阴极的渗透值与氢 气传感器探测的浓度值进行对比，对其气密性进行评 价。欧洲对工业生产燃料电池堆的气密性检测还增 加了定量的气密性测量[7]，直接通过流量计检测流量 速，但这种方法没有通过压力降的方式准确。除了对 燃料电池堆本身进行气密性测试外，条件允许的情况 下也应该用保压的方式对燃料电池堆测试台进行检 测。通过计算压力降速率来判定测试台是否泄漏。 所以针对不同情况的燃料电池堆的气密性测试，本文 提出优化改进的方法:对于常规电堆的测试可采用压 力降的方法判断是否泄漏，当无法用压力降进行测试 时,可通过内部渗透的方法进行气密性检测。

2. 2

机械检查

在对燃料电池堆进行环境可靠性测试时,运行工

况会对燃料电池堆的机械性能产生影响，比如振动 时，会对燃料电池堆内部结构产生很剧烈的影响，所 以对燃料电池堆的机械检查很有必要。燃料电池堆 的结构应该在经过跌落、振动、挤压后不能有氢气泄 漏，增加适当的氢气探测器对其进行检测，并且不能 有断裂、变形和其他的物理损伤。如果是水冷的电 堆，冷却液同样不能有任何的泄漏。燃料电池堆同样 应该对环境、温度、压力的变化有一定的适应能力，使 其适应更多的操作运行环境。2. 3

性能测试

1)

开路电压。在开路状态下的端电压为开路电

压，在一定的燃料和空气的流速下，测试燃料电池堆 的开路电压，在开路电压下运行1 min后关闭空气, 使每个单电池电压降到〇. 1 V以下，测燃料电池堆两 端电势，即为燃料电池堆的开路电压。

2)

极化曲线。极化曲线是评价燃料电池堆性能

的重要参数，是表示燃料电池堆电压与电流关系的曲

58客车技术与研究2018年2月

线，单电池的极化曲线如图1所示:4:。电压的损失主 要包括高电流下的极化损失、中间电流下的欧姆损失 和低电流密度下的质量传输损失。测试过程中需要 在一定的操作条件下运行，美国SAE J2617-2011:8: 中提到的测试条件参考如下:常温（15益）、常压（101

kPa)、相对湿度为60%的空气。并且在从最低电流

密度到最大电流密度均匀取得测试点，在每个测试点 持续稳定运行5 min，逐渐增加电流密度，记录每个电 流密度下的电压值。

3) 额定和峰值功率。汽车、小型固定发电站和

移动电源等应用不同的燃料电池堆，其额定功率和峰 值功率也不相同，其测试可以参考GB/T 245- 2009:3:。在无人工干预下，按照厂商的加载方式进行 加载，加载到额定功率下稳定运行1 min。同样在热 机状态下，加载到峰值功率，运行10 min，测试燃料电 池堆额定功率随时间的变化量。

4)

动态响应。对于燃料电池堆的动态响应特性

的测试，考察的是燃料电池堆的动态加载响应及承受

加载冲击的能力。在测试时，通过燃料电池堆测试台 对燃料电池堆发出动态阶跃工作指令，按照厂家适合 的方式进行加载和卸载，选取一定功率范围（如额定 功率的10%~90% )内的响应时间作为评价燃料电池 堆的动态响应指标。2.4冷启动测试

燃料电池在发生电化学反应时，会不断有液态水 生成。如果温度较低，就会发生水在内部结冰而无法 进行正常运行的情况。所以对燃料电池的冷启动测 试十分必要。美国SAE J2615:9:中提到冷启动的操 作条件是-20益，101 kPa。而美国能源部DOE对燃

料电池堆在2011年就已经达到了无辅助系统低温- 2◦益的启动，并希望在2017年达到无辅助系统的低 温-30益启动和辅助系统的-40益低温启动。基于 我国燃料电池堆的发展现状，冷启动的操作条件设置 在-10益，正常工作压力下，空气的相对湿度为0%。 根据制造商的规定进行启动，在怠速状态下稳定运行 10 min，就可认定燃料电池堆启动成功。2. 5

耐久性测试

燃料电池堆的耐久性一直是其发展的瓶颈，车用 燃料电池堆的PEMFC应具有3 000 ~ 5 000 h的寿 命。提高燃料电池堆的耐久性对其取代传统发动机 具有重要意义。膜和电极的老化是影响燃料电池堆 寿命的主要因素，一般利用控制操作条件来加速电堆 寿命的测试。根据实际运行中的路况制定耐久性测 试的工况条件（包括启动、暖机、反复变载、停机过 程），使燃料电池堆在每个工况下运行1 h，每天运行 8 h，连续累计完成测试1 000 h。通常每隔1 h就会 进行极化曲线的测试:10:。

2.6

参数灵敏性测试

一些重要的参数如电堆的温度、反应物的压力和

化学计量比对燃料电池堆性能的影响较大。为了使 电池堆在测试中更加安全可靠，应将燃料电池堆的操 作参数根据样品本身特性设置在最小的变化范围内。 在燃料电池堆工作时，内部运行温度受到负载产热和 冷却液的共同作用。在测试前供应商应提供在测试 时参考的测试操作条件(TOC)，包括不同电流密度下

的温度、压力和化学计量比等。在测试某一参数灵敏 度的过程中应保持燃料电池堆分别在0. 05 A/cm2、 0. 40 A/cm2、0. 80 A/cm2、1. 00 A/cm2、1. 20 A/cm2 的恒电流条件下运行，并使其他测量参数不变，单一 增加该测试参数，并在每个测量点持续稳定地运行 5 min，观察其电压的稳定性。

3

结束语

基于燃料电池堆测试标准研究的现状，提出针对 我国以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池堆的标准 测试方法，包括气密性测试、性能测试、冷启动测试、参 数扫描测试、耐久性测试等，形成完整的燃料电池堆 测试评价体系，对推动燃料电池堆的发展有重要意义。第1期郭婷，吴迪，文醉，等：车用质子交换膜燃料电池堆性能测试方法研究

[6]

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参考文献：

[1 ] MEHTA V，

日本工业技术委员会.静态聚合物电解液燃料电池堆安全

COOPER J S. Review and analysis of PEM fuel

cell design and manufacturing [ J ]. Journal Power Sources

评估试验：JIS C8831-2008[S].东京：日本标准出版社， 2008.

[7] Stack test master document[ EB/OL]. [2017-08-31 ]. http：

2003,114(1) :32-53.

[2] 全国汽车标准化技术委员会.燃料电池电动汽车安全要

求：GB/T 249-2009 [ S].北京：中国标准出版社，2009 : 7.

[3] 全国汽车标准化技术委员会.燃料电池发动机性能试验方

法：GB/T 245-2009 [ S].北京：中国标准出版社，2009 : 6.

[4] 全国汽车标准化技术委员会.燃料电池电动汽车车载氢系

统技术条件:GB/T 26990-2011 [ S].北京：中国标准出版 社，2011 ：5.

[5 ] Recommended practice for testing performance of PEM of fuel

stacktest. zswT-bwT. de/media-centre. html.[ 8 ] Recommended practice for testing performance of PEM fuel cell Stack sub - system for automotive applications： SAE J2617 ：2011 [ S/OL]. [ 2011 - 08 ]. http： // www. sae. org/ technical/standards.[9 ] Testing performance of fuel cell systems for automotive appli­

cations： SAE 2615：2011 [S/OL]. http： / w^^. sae. or^^ technical/standards.[10] DICKSA S. Assessment of commercial prospects of molten

carbonate fuel cells [ J]. Journal of Powder Sources，2004，

/

86(1) ：316-323.

cell stack sub-system for automotive applications. SAE

J2617 ：2014 [ S/OL]. [ 2014 - 08 ]. http： // www. sae. org/ technical/ standards.

修改稿日期=2017-11-16

(上接第55页）

[8] 朱向雷，孟健，沈立军.基于顾客感知价值理论的配置感知

系统研究[J].汽车工业研究，2014,29(11) ：52-55.[9] 吴正婷.基于消费者心理的汽车安全配置扩散研究[D].

长沙:湖南大学，2016.

[10] 成艾国，吴正婷.基于区间层次分析法的汽车安全配置扩

散顺序研究[J].汽车工程学报，2016,6(5) ：376-384.[11 ]成艾国，艾莎.基于一种新型主动评价模型的汽车电子配

置方案设计[J].汽车工程学报，2016,6(3) ：162-167.

修改稿日期=2017-09-18

[12] 宋歌.汽车装备配置对消费者购车选择的影响知多少

[J].汽车与配件，2015,35(5) ：60-63.

[13] 兰晓婕，姚磊，武帅.汽车顾客满意度影响因素分析及指

标体系研究[J].上海汽车，2005,32(9) ：14-17.

[14] 郭伟刚，包凡彪.基于CRM的汽车客户满意度评价体系

研究[J].统计与决策，2007,23(5) ：68-69.