汽車試驗(yàn)：燃料電池電堆測試

氫燃料電池堆是整個(gè)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的核心部分。其性能和成本直接決定了燃料電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

燃料電池測試包括開發(fā)測試、耐久測試和產(chǎn)品定型的性能測試。在不同的設(shè)計(jì)階段，為了不同的驗(yàn)證目的，電堆的測試也分階段進(jìn)行，包括單電池、短堆和整堆3個(gè)部分的驗(yàn)證，驗(yàn)證包括氣體分布測試、應(yīng)力分布驗(yàn)證、性能、加速老化、可靠性、振動(dòng)、冷熱沖擊和冷啟動(dòng)。電堆產(chǎn)品最終的設(shè)計(jì)性能是否滿足要求，是在工程階段按照工藝規(guī)范將樣件組裝成全尺寸電堆后，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試后確定。

一、性能測試

1、穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)：本試驗(yàn)的目的是為了測試標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電池的輸出電壓(或電流)和輸出功率。

2、恒定氣體流量的I-V特性測試

a)I-V特性測試:本試驗(yàn)的目的是確定電池電壓(和功率密度)在恒定氣體流量下隨電流密度的變化而發(fā)生的變化。

b)恒定氣體化學(xué)計(jì)量比下的I-V特性：本試驗(yàn)?zāi)康氖谴_定氣體化學(xué)計(jì)量比恒定條件下隨電流密度改變的電池電壓(和功率密度)的變化。

3、IR測量:本試驗(yàn)的目的是測定不同電流密度下電池的電阻，描述的測量技術(shù)可以用來進(jìn)行IR測量，如果IR測量和I-V特性同時(shí)進(jìn)行，IR測量不應(yīng)影響電池的穩(wěn)定狀態(tài)，如果IR測量會(huì)干擾電池的穩(wěn)定，先記錄電壓、電流密度值，再進(jìn)行IR測量。

4、極限電流測試:本試驗(yàn)的目的是評(píng)價(jià)電池中MEA的傳質(zhì)極限。

5、擴(kuò)散增益試驗(yàn)

a)氫氣擴(kuò)散增益測試:本試驗(yàn)的目的是評(píng)價(jià)陽極的擴(kuò)散性能。通過氫氣擴(kuò)散增益測試評(píng)價(jià)實(shí)際使用中用重整氣(氫氣、二氧化碳、氮?dú)饧捌渌s質(zhì)的混合氣) 作為燃料的MEA的性能。

b)氧氣擴(kuò)散增益測試:本試驗(yàn)的目的是評(píng)價(jià)陰極的擴(kuò)散能力。氧氣擴(kuò)散增益測試用來評(píng)價(jià)在實(shí)際應(yīng)用中以空氣為氧化劑的MEA的性能。

6、氣體計(jì)量比測試

a)燃料計(jì)量比測試:本試驗(yàn)的目的是評(píng)價(jià)陽極的擴(kuò)散性能，與11.5.1的氫氣擴(kuò)散增益試驗(yàn)相同.

b)氧化劑計(jì)量比測試:本試驗(yàn)的目的是評(píng)價(jià)陰極的擴(kuò)散性能，如11.5.2氧氣擴(kuò)散增益試驗(yàn)一樣，試驗(yàn)應(yīng)按下述流程進(jìn)行。

7、溫度影響測試:本試驗(yàn)的目的是測量電池溫度對電池性能的影響。溫度通常會(huì)影響電極反應(yīng)速率和電解質(zhì)的傳導(dǎo)率。

8、壓力影響測試:本試驗(yàn)的目的是測量燃料和氧化劑壓力對電池性能的影響，試驗(yàn)中必須非常謹(jǐn)慎地保持膜兩側(cè)的壓力差為恒定值，高壓增加反應(yīng)氣體的密度，從而增加電極反應(yīng)速率。

9、濕度影響測試:

a)燃料濕度影響測試:燃料濕度影響測試本試驗(yàn)的目的是測量燃料的不同濕度對電池性能的影響，燃料的濕度通常會(huì)影響電解質(zhì)的傳導(dǎo)率和陽極的氣體擴(kuò)散。

b)氧化劑濕度影響測試:本試驗(yàn)的目的是測量氧化劑的不同濕度對電池性能的影響。氧化劑濕度通常會(huì)影響電解質(zhì)的傳導(dǎo)和氣體向陰極的擴(kuò)散。

10、燃料組成測試:本試驗(yàn)的目的是測試重整氣的組成對電池性能的影響。木試驗(yàn)用來測定電極對不同類型燃料氣的耐受程度。重整氣通常包括氫氣、一氧化碳和惰性氣體如二氧化碳、氮?dú)猓桓鹘M分含量取決于原料和重整方法的差異。惰性氣體通常會(huì)影響氫氣向電極的擴(kuò)散。

11、過載試驗(yàn):本試驗(yàn)的目的是評(píng)價(jià)電池的電過載耐久性。電池的過載耐久性受到催化劑活性和電極的氣體擴(kuò)散能力的影響。

12、長時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn):長時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn)的目的是測定電池在規(guī)定的恒定電流條件下長期運(yùn)行時(shí)的電壓變化，長時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn)通常在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行，但在試驗(yàn)過程中會(huì)按固定的時(shí)間間隔周期性測試I-V特性和電池電阻，以評(píng)價(jià)電池性能。

13、啟動(dòng)/關(guān)機(jī)循環(huán)試驗(yàn):啟動(dòng)/關(guān)機(jī)循環(huán)試驗(yàn)的目的是測定在規(guī)定條件下電池運(yùn)行的性能變化，該變化情況是啟動(dòng)/關(guān)機(jī)次數(shù)的函數(shù)。該試驗(yàn)可作為特定運(yùn)行條件下應(yīng)用的ME A壽命的特定試驗(yàn)。

14、加載循環(huán)試驗(yàn):加載循環(huán)試驗(yàn)的目的是測定在規(guī)定條件下燃料電池運(yùn)行的電壓變化，該變化是電流密度對時(shí)間的動(dòng)態(tài)函數(shù)。該試驗(yàn)可作為特定運(yùn)行條件下應(yīng)用的MEA壽命的特定試驗(yàn)。

15、雜質(zhì)影響試驗(yàn)

a)燃料雜質(zhì)影響試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的是測定燃料中的雜質(zhì)對電池性能的影響，并測定電池在額定電流密度下性能損失的恢復(fù)情況，電池使用含雜質(zhì)燃料進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)。

b)氧化劑雜質(zhì)影響試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的是測定氧化劑雜質(zhì)對于電池性能的影響，以及電池在額定電流密度下性能損失的恢復(fù)程度。電池使用含雜質(zhì)氧化劑進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)。

二、電阻測試

電堆的電阻測試是通過對膜電極、雙極板等部件的接觸電阻的測試來考察電堆的裝配是否達(dá)到預(yù)定工藝要求。較低的電阻值可以保證電堆部件之間的充分接觸，限度降低電堆使用過程中的歐姆極化損失。由于采用的雙極板、膜電極等材料和裝配控制上的差別，電堆生產(chǎn)企業(yè)的內(nèi)控值多不對外公布。

三、氣密性測試

氣密性測試包括測試電堆整體的外部和內(nèi)部竄氣、漏液。氣體的外漏尤其是氫氣的外漏，降低了氫氣的利用率，并會(huì)給整個(gè)電堆帶來極大的安全隱患。內(nèi)部的竄氣，將降低電堆對外功率的輸出。此項(xiàng)測試根據(jù)電堆設(shè)計(jì)的不同，控制指標(biāo)也不盡相同。相對簡單的測試方法是通過充氣保壓測試一定時(shí)間的壓降，而更為的控制方式則是計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的氣體體積。

四、耐久性測試

耐久性測試用來衡量電堆使用壽命，目前并無統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)。衡量電堆耐久性的方法包括臺(tái)架測試與實(shí)際路試。臺(tái)架測試包括工況法和加速耐久法，實(shí)際路試作為更可靠性的方法也被電堆生產(chǎn)企業(yè)和整車企業(yè)所采用。臺(tái)架測試工況可參考DOE測試工況， 加速耐久法多為電堆開發(fā)企業(yè)借助于采集的典型工況形成倍率因子加速測試。隨著對設(shè)計(jì)開發(fā)的電堆了解的深入，對相關(guān)控制參數(shù)對電堆性能相互作用的掌握，電堆生產(chǎn)和整車企業(yè)，需要建立耐久性測試方法和標(biāo)準(zhǔn)，形成核心技術(shù)。

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