本文為在中國汽研舉辦的“2019第二屆新能源汽車測試評價技術國際論壇”上，中科院大連化學物理研究所高級工程師帶來的《燃料電池電池測試技術介紹》。

報告主要包括以下三個部分：第一是燃料電池關鍵部件的基礎性能測試；第二是燃料電池關鍵部件的穩(wěn)定性測試；第三是燃料電池堆的性能測試。當前國家對車用燃料電池的發(fā)展相當重視，特別是最近幾年連續(xù)制定了一系列與燃料電池關鍵零部件有關的國家標準，主要涉及質(zhì)子交換膜、催化劑、膜電極和雙電板等部件的性能測試。

國家標準中涉及的燃料電池關鍵部件基礎性能測試主要包括：測試質(zhì)子交換膜的質(zhì)子交換傳導率、離子交換當量、拉伸性能、吸水率、溶脹率、厚度均勻性和透氣率；測試電催化劑的Pt含量測試、比表面積、孔容、孔徑分布、形貌及粒徑分布、催化劑密度和電化學活性面積；測試炭紙的厚度均勻性、電阻、機械強度、透氣率、孔隙率和表觀密度；測試膜電極的厚度均勻性、Pt擔載量、單電池極化曲線、滲氫電流、活化極化過電位和歐姆極化過電位；測試雙極板的氣密性、阻力、面積利用率、厚度均勻性、平面度和電阻。

實際應用中除了需要對燃料電池關鍵部件的基礎性能進行測試，還需要對關鍵部件的穩(wěn)定性進行測試，因為燃料電池堆的整體穩(wěn)定性取決于其關鍵零部件的穩(wěn)定性。車用燃料電池的實際使用工況非常復雜，并且燃料電池各部件在不同工況下的損傷機理具有差異性。例如燃料電池啟停過程產(chǎn)生的氫空界面會腐蝕催化劑載體，變載過程中的高電壓循環(huán)變化會加速催化劑的衰減，怠速過程中的高開路電壓不僅會加速催化劑的腐蝕還會增強自由基對質(zhì)子交換膜的攻擊，低溫冷啟動過程中在低于0℃的工作環(huán)境下，陰極側反應生成的水易結冰導致催化層、擴散層堵塞，阻礙反應的進行，并且水結冰產(chǎn)生的體積變化也會對膜電極組件的結構產(chǎn)生破壞，降低燃料電池性能。

總的來說，單體零部件的性能對燃料電池的整體性能起著決定性的影響，因此在電堆集成前需要對各個部件的工作穩(wěn)定性進行測試。大連化物所現(xiàn)有的燃料電池測試設備主要包括掃描電子顯微鏡、萬能試驗機、電化學工作站、電子負載儀、單電池測試臺和交流阻抗儀等。膜電極的穩(wěn)定性測試方法有開路電壓法、電位循環(huán)法、啟動停車循環(huán)法、溫濕循環(huán)法和冰凍/解凍循環(huán)法；雙極板的穩(wěn)定性測試方法有化學腐蝕法和電化學腐蝕法。關于膜電極的穩(wěn)定性測試，我們選用了伏安法，并且試驗中膜電極面積為20-50平方厘米，電壓掃描范圍為0.6-1.0伏，掃描速率為50毫伏每秒，測試周期為30000圈。

下面介紹一些燃料電池堆的通用技術條件、低溫特性和安全要求。對于燃料電池而言，現(xiàn)在大家特別關注燃料電池的安全性能，主要包括氫安全、電安全和機械沖擊安全。燃料電池堆的氫安全主要是測試氫氣從氫倉向大氣環(huán)境、空氣倉或水倉的總泄露量；燃料電池堆的電安全主要是測試電堆集流體和封裝表面裸露金屬部分的絕緣電阻、電堆集流體和外框表面裸露金屬表面的絕緣電阻、電堆接地點和電堆裸露金屬面的接觸電阻。燃料電池堆的機械沖擊安全主要是測試燃料電池在使用過程中通過一些低洼或者顛簸路段時產(chǎn)生的沖擊力，以及沖擊完成后的電堆氣密性。

燃料電池堆的這些安全性能測試試驗完成且達標后，表明電堆可以進入下一階段的測試，包括測試燃料電池堆的活化特性、極化特性曲線、額定輸出功率、峰值輸出功率及低溫冷啟動性能。其中增加燃料電池堆質(zhì)子交換膜的潤濕度，可以有效釋放膜上的活性位點，降低質(zhì)子交換膜的傳質(zhì)極化，進而提高催化劑的活性。對燃料電池進行極化曲線測試，就是為了反映電堆內(nèi)部膜電極上催化劑的反應動力學特性，催化劑材料的界面電阻、歐姆電阻以及膜電極在氣體傳輸過程中產(chǎn)生的極化損失，左下圖是一個原理圖，右下圖是燃料電池電堆的極化曲線。

綜上，介紹了燃料電池關鍵部件的一些測試，基礎性能是參照國家標準對關鍵部件的一些基礎性能進行測試；穩(wěn)定性測試，參考的是DOE的一些測試方法和在科研機構的一些研究方法，考察這些關鍵部件分級項的衰減情況；電堆測試主要從安全性、性能及雜質(zhì)影響方面來進行測試。

返回第一電動網(wǎng)首頁 >