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)

1 概 述

质子交换膜燃料电池作为小型的发电机，因其具有能量转化率高，操作温度低，产物无污染以及启停速度快等优点[1]，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 24549-2009《燃料电池电动汽车安全要求》[2]、GB/T 24554-2009《燃料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 24554-2009[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0.1 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 ℃)、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。

图1 燃料电池堆的极化曲线示例

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 24554-2009[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 ℃，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-20 ℃的启动，并希望在2017年达到无辅助系统的低温-30 ℃启动和辅助系统的-40 ℃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 ℃，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。

[1] MEHTA V, COOPER J S. Review and analysis of PEM fuel cell design and manufacturing[J].Journal Power Sources 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 24549-2009[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 24554-2009[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 cell stack sub-system for automotive applications.SAE J2617:2014[S/OL].[2014-08].http:∥www.sae.org/technical/standards.

[6] 日本工业技术委员会.静态聚合物电解液燃料电池堆安全评估试验：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:∥stacktest.zsw-bw.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 applications: SAE 2615:2011[S/OL]. http: ∥www.sae.org/technical/standards.

[10] DICKSA S. Assessment of commercial prospects of molten carbonate fuel cells [J]. Journal of Power Sources, 2004, 86(1):316-323.