車用質(zhì)子交換膜燃料電池堆性能測試方法研究

郭 婷， 吳 迪， 文 醉， 梁 聰， 王 芳， 樊 彬

(中國汽車技術(shù)研究中心， 天津 300300)

1 概 述

質(zhì)子交換膜燃料電池作為小型的發(fā)電機(jī)，因其具有能量轉(zhuǎn)化率高，操作溫度低，產(chǎn)物無污染以及啟停速度快等優(yōu)點[1]，受到了各國的重視。它被認(rèn)為最有希望成為未來的高效能量轉(zhuǎn)換裝置，可以作為汽車、船舶、小型移動電源的能源動力系統(tǒng)。我國正在加快燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，但在燃料電池堆的性能和安全方面并沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。為了推動我國燃料電池的發(fā)展，應(yīng)盡早制定燃料電池堆的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使我國燃料電池堆技術(shù)早日達(dá)到國際先進(jìn)水平。

國際電工委員會(IEC)，美國汽車工程協(xié)會(SAE)，歐洲的FCH JU303445(Stack-Test Master Document-TM 2.00), 日本的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(JIS), 歐洲的一些項目FCTESTNET和FCTES，都針對燃料電池的性能提出統(tǒng)一的測試方案。我國燃料電池技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)工作主要由全國燃料電池和液流電池標(biāo)準(zhǔn)化委員會承擔(dān)，已經(jīng)制定了GB/T 24549-2009《燃料電池電動汽車安全要求》[2]、GB/T 24554-2009《燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗方法》[3]、GB/T 26990-2011《燃料電池電動汽車車載系統(tǒng)技術(shù)條件》[4]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。但是對于燃料電池系統(tǒng)的重要組成部件——燃料電池堆的性能測試和安全性能并沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。對于燃料電池汽車來說，安全是第一位，特別是以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池。燃料電池堆作為燃料電池汽車的核心部件，安全性測試應(yīng)該覆蓋機(jī)械、電氣和熱溫度，應(yīng)該制定關(guān)于安全性的法律法規(guī)文件，以推動產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

不同的測試體系對燃料電池堆的測試方法也有所不同。SAE 2617-2011《車用燃料電池堆子系統(tǒng)試驗性能推薦規(guī)程》[5]中提出，對燃料電池堆的性能測試應(yīng)包括開路電壓測試、極化曲線測試、氣密性測試、參數(shù)掃描測試、怠速測試、動力學(xué)響應(yīng)測試等，但是有些測試并不適合我國現(xiàn)有的測試基準(zhǔn)，如參數(shù)掃描中對稀釋的燃料和空氣進(jìn)行靈敏度測試等，并且其氣密性只針對外漏情況，對于內(nèi)漏并沒有解決方案。JIS C8831-2008 《靜態(tài)聚合物電解液燃料電池堆的安全評估試驗》[6]也提出對質(zhì)子交換膜燃料電池堆的安全性測試方法，包括冷卻系統(tǒng)的耐壓測試、絕緣測試、短路測試等，但其沒有對車用燃料電池堆進(jìn)行如極化曲線、開路電壓等性能測試。FCH JU 303445-2011《電堆測試文件》[7]更注重電池堆測試操作條件，特別是對環(huán)境測試的影響，可以分為機(jī)械、氣候、化學(xué)、電磁等，提出溫度、濕度、壓力的靈敏度對燃料電池堆性能有一定的影響，但其忽略了電池堆本身的性能測試，如極化曲線和外部的機(jī)械檢查等。

我國在推動燃料電池堆自主發(fā)展的過程中，成本、壽命、性能是影響其商業(yè)化的主要因素。我國應(yīng)更加注重燃料電池堆本身對環(huán)境的適應(yīng)性和壽命，降低關(guān)鍵材料如Pb等的使用。而現(xiàn)有的測試標(biāo)準(zhǔn)中并沒有提到冷啟動、耐久性等評價燃料電池堆性能的關(guān)鍵影響因素，并且氣密性等測試方法并不符合我國燃料電池堆的測試需要。所以對于車用燃料電池堆的性能測試方案值得深入研究，應(yīng)該提出適應(yīng)我國現(xiàn)狀的測試項目與方法。現(xiàn)階段我國還沒有行業(yè)統(tǒng)一的燃料電池堆的性能測試及評估方案，基于參考國際上先進(jìn)的燃料電池測試標(biāo)準(zhǔn)，本文意在提出針對我國車用燃料電池堆較全面的測試方案，更好地制定燃料電池堆的性能評價指標(biāo)，同時針對現(xiàn)有的一些測試方法進(jìn)行優(yōu)化，包括對氣密性測試方法的改進(jìn)建議；針對燃料電池堆提出機(jī)械安全的測試內(nèi)容，如振動、擠壓、跌落；同時針對燃料電池堆的壽命預(yù)測提出基于車用工況條件下的測試方法，并提出燃料電池堆對參數(shù)靈敏度的考量，包括氫氣、空氣的化學(xué)計量比，溫度，壓力等；基于我國環(huán)境的多樣性，又提出冷啟動的測試內(nèi)容，具體介紹如下。

2 燃料電池堆性能測試方案

2.1 氣密性測試

燃料電池氣密性對燃料電池堆的安全性很重要，氫氣的氣密性檢測和燃料電池堆的氣密性檢測也應(yīng)該放在性能測試和壽命測試的前面。目前國內(nèi)生產(chǎn)的燃料電池堆可以參考國標(biāo)GB/T 24554-2009[3]中的氣密性測試。檢查氫氣氣密性時，關(guān)閉燃料電池堆的進(jìn)氣閥和排氣端口，可以在氫氣進(jìn)氣端口充入氮氣，設(shè)定一定的壓力值，保壓一段時間后觀察壓力的下降值。在檢查燃料電池堆的氣密性時，關(guān)閉燃料電池堆的排氣端口、空氣端口和冷卻液出口，同時向氫氣流道、空氣流道和冷卻液流道加注氮氣，設(shè)定一定的工作壓力值，壓力穩(wěn)定后關(guān)閉進(jìn)氣閥門，保壓一段時間后，氣體的壓力不得低于初始壓力的85%。另外，除了氣密性檢測，也應(yīng)該在燃料電池堆的外殼內(nèi)部采取必要的措施來防止氫氣集聚，及時將氫氣排除于燃料電池堆外。

對于一些國外生產(chǎn)的電池堆，由于對電池堆的程序進(jìn)行了鎖定，因而無法通過壓力的下降值對其進(jìn)行氣密性檢測，可以通過計算陽極到陰極的滲透值與氫氣傳感器探測的濃度值進(jìn)行對比，對其氣密性進(jìn)行評價。歐洲對工業(yè)生產(chǎn)燃料電池堆的氣密性檢測還增加了定量的氣密性測量[7]，直接通過流量計檢測流量速，但這種方法沒有通過壓力降的方式準(zhǔn)確。除了對燃料電池堆本身進(jìn)行氣密性測試外，條件允許的情況下也應(yīng)該用保壓的方式對燃料電池堆測試臺進(jìn)行檢測。通過計算壓力降速率來判定測試臺是否泄漏。所以針對不同情況的燃料電池堆的氣密性測試，本文提出優(yōu)化改進(jìn)的方法：對于常規(guī)電堆的測試可采用壓力降的方法判斷是否泄漏，當(dāng)無法用壓力降進(jìn)行測試時，可通過內(nèi)部滲透的方法進(jìn)行氣密性檢測。

2.2 機(jī)械檢查

在對燃料電池堆進(jìn)行環(huán)境可靠性測試時，運行工況會對燃料電池堆的機(jī)械性能產(chǎn)生影響，比如振動時，會對燃料電池堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很劇烈的影響，所以對燃料電池堆的機(jī)械檢查很有必要。燃料電池堆的結(jié)構(gòu)應(yīng)該在經(jīng)過跌落、振動、擠壓后不能有氫氣泄漏，增加適當(dāng)?shù)臍錃馓綔y器對其進(jìn)行檢測，并且不能有斷裂、變形和其他的物理損傷。如果是水冷的電堆，冷卻液同樣不能有任何的泄漏。燃料電池堆同樣應(yīng)該對環(huán)境、溫度、壓力的變化有一定的適應(yīng)能力，使其適應(yīng)更多的操作運行環(huán)境。

2.3 性能測試

1) 開路電壓。在開路狀態(tài)下的端電壓為開路電壓，在一定的燃料和空氣的流速下，測試燃料電池堆的開路電壓，在開路電壓下運行1 min后關(guān)閉空氣，使每個單電池電壓降到0.1 V以下，測燃料電池堆兩端電勢，即為燃料電池堆的開路電壓。

2) 極化曲線。極化曲線是評價燃料電池堆性能的重要參數(shù)，是表示燃料電池堆電壓與電流關(guān)系的曲線，單電池的極化曲線如圖1所示[4]。電壓的損失主要包括高電流下的極化損失、中間電流下的歐姆損失和低電流密度下的質(zhì)量傳輸損失。測試過程中需要在一定的操作條件下運行，美國SAE J2617-2011[8]中提到的測試條件參考如下：常溫(15 ℃)、常壓(101 kPa)、相對濕度為60%的空氣。并且在從最低電流密度到最大電流密度均勻取得測試點，在每個測試點持續(xù)穩(wěn)定運行5 min，逐漸增加電流密度，記錄每個電流密度下的電壓值。

圖1 燃料電池堆的極化曲線示例

3) 額定和峰值功率。汽車、小型固定發(fā)電站和移動電源等應(yīng)用不同的燃料電池堆，其額定功率和峰值功率也不相同，其測試可以參考GB/T 24554-2009[3]。在無人工干預(yù)下，按照廠商的加載方式進(jìn)行加載，加載到額定功率下穩(wěn)定運行1 min。同樣在熱機(jī)狀態(tài)下，加載到峰值功率，運行10 min，測試燃料電池堆額定功率隨時間的變化量。

4)動態(tài)響應(yīng)。對于燃料電池堆的動態(tài)響應(yīng)特性的測試，考察的是燃料電池堆的動態(tài)加載響應(yīng)及承受加載沖擊的能力。在測試時，通過燃料電池堆測試臺對燃料電池堆發(fā)出動態(tài)階躍工作指令，按照廠家適合的方式進(jìn)行加載和卸載，選取一定功率范圍(如額定功率的10%～90%)內(nèi)的響應(yīng)時間作為評價燃料電池堆的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。

2.4 冷啟動測試

燃料電池在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時，會不斷有液態(tài)水生成。如果溫度較低，就會發(fā)生水在內(nèi)部結(jié)冰而無法進(jìn)行正常運行的情況。所以對燃料電池的冷啟動測試十分必要。美國SAE J2615[9]中提到冷啟動的操作條件是-20 ℃，101 kPa。而美國能源部DOE對燃料電池堆在2011年就已經(jīng)達(dá)到了無輔助系統(tǒng)低溫-20 ℃的啟動，并希望在2017年達(dá)到無輔助系統(tǒng)的低溫-30 ℃啟動和輔助系統(tǒng)的-40 ℃低溫啟動?；谖覈剂想姵囟训陌l(fā)展現(xiàn)狀，冷啟動的操作條件設(shè)置在-10 ℃，正常工作壓力下，空氣的相對濕度為0%。根據(jù)制造商的規(guī)定進(jìn)行啟動，在怠速狀態(tài)下穩(wěn)定運行10 min，就可認(rèn)定燃料電池堆啟動成功。

2.5 耐久性測試

燃料電池堆的耐久性一直是其發(fā)展的瓶頸，車用燃料電池堆的PEMFC應(yīng)具有3 000～5 000 h的壽命。提高燃料電池堆的耐久性對其取代傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)具有重要意義。膜和電極的老化是影響燃料電池堆壽命的主要因素，一般利用控制操作條件來加速電堆壽命的測試。根據(jù)實際運行中的路況制定耐久性測試的工況條件(包括啟動、暖機(jī)、反復(fù)變載、停機(jī)過程)，使燃料電池堆在每個工況下運行1 h，每天運行8 h，連續(xù)累計完成測試1 000 h。通常每隔1 h就會進(jìn)行極化曲線的測試[10]。

2.6 參數(shù)靈敏性測試

一些重要的參數(shù)如電堆的溫度、反應(yīng)物的壓力和化學(xué)計量比對燃料電池堆性能的影響較大。為了使電池堆在測試中更加安全可靠，應(yīng)將燃料電池堆的操作參數(shù)根據(jù)樣品本身特性設(shè)置在最小的變化范圍內(nèi)。在燃料電池堆工作時，內(nèi)部運行溫度受到負(fù)載產(chǎn)熱和冷卻液的共同作用。在測試前供應(yīng)商應(yīng)提供在測試時參考的測試操作條件(TOC),包括不同電流密度下的溫度、壓力和化學(xué)計量比等。在測試某一參數(shù)靈敏度的過程中應(yīng)保持燃料電池堆分別在0.05 A/cm2、0.40 A/cm2、0.80 A/cm2、1.00 A/cm2、1.20 A/cm2的恒電流條件下運行，并使其他測量參數(shù)不變，單一增加該測試參數(shù)，并在每個測量點持續(xù)穩(wěn)定地運行 5 min，觀察其電壓的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

基于燃料電池堆測試標(biāo)準(zhǔn)研究的現(xiàn)狀，提出針對我國以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池堆的標(biāo)準(zhǔn)測試方法，包括氣密性測試、性能測試、冷啟動測試、參數(shù)掃描測試、耐久性測試等，形成完整的燃料電池堆測試評價體系，對推動燃料電池堆的發(fā)展有重要意義。

[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] 全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.燃料電池電動汽車 安全要求:GB/T 24549-2009[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009:7.

[3] 全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗方法:GB/T 24554-2009[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009:6.

[4] 全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.燃料電池電動汽車車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件:GB/T 26990-2011[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)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] 日本工業(yè)技術(shù)委員會.靜態(tài)聚合物電解液燃料電池堆安全評估試驗：JIS C8831-2008[S].東京：日本標(biāo)準(zhǔn)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.