《质子交换膜燃料电池单电池低温性能测试方法》

T/CSAEXXX-XXX

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CSAE

团体标准

T/CSAEXXX-XXXX

质子交换膜燃料电池单电池低温性

能测试方法

Testmethodforlowtemperatureperformanceofprotonexchange

membranefuelcellsinglecell

(征求意见稿)

在提交反馈意见时，请将您知道的该标准所涉必要专利信息连同支持性文件一并附上。

2022-XX-XX发布2022-XX-XX实施

中国汽车工程学会发布

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质子交换膜燃料电池单电池低温性能测试方法

1.范围

本文件规定了低温（0°以下）条件下，质子交换膜燃料电池单电池冷启动安全要求，

实验设备，试验方法和实验报告。

本文件将用于表征质子交换膜电池低温冷启动能力，以及是否符合燃料电池行业的要求。

2.规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，

其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据

本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，

其最新版本适用于本标准。

GB/T28816燃料电池术语

GB/T20042.2--2008质了交换膜燃料电池电池堆通用技术条件

3.术语和定义

GB/T28816界定的及下列术语适用于本标准。

3.1

环境试验箱

温度、湿度可按实验要求控制，内部可放置被测单电池。

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3.2

冷却剂

在设定的零度以下低温环境中不发生相变，对燃料电池的单电池材料没有物理与化学的

影响，在单电池运行工作时，通入夹具内将夹具内的热量交换到外围环境的循环介质。

3.3

冷启动时间

冷启动时间按照委托方规定的质子交换膜低温储存后的启动程序进行启动。

4.安全要求

1)在进行本试验之前,必须完成初步危害评估,包括:

2)质子交换膜燃料电池电堆的通用安全要求应符合GB/T20042.22008中4.2的规

定;

3)必须具备氢气可燃气体安全防护措施：

4)必须具备适当的个人防护装备（个人防护用品包括护目镜等）：

5)测试工程师/技术人员必须参加使用个人防护设备的培训：

6)测试工程师/技术员必须意识到使用环境试验箱时的潜在的危险：

7)测试人员必须遵守试验室的安全规则。

5.试验设备

用于质子交换膜燃料电池低温冷启动的试验设备应满足以下要求:

5.1燃料电池测试台架

1)气体流量的调节:用于提供燃料电池电堆在所要求的化学计量比下的燃料和氧化剂

流量。

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2)气体增湿的控制：在气体输送给燃料电池电堆前增湿反应气体达到所需的露点。

注:从増湿器到电堆入口传输管路中的气体温度至少在露点温度以上5-10℃,以

使得冷凝最小。

3)气体压强的控制：调节燃料电池电堆反应气体进气压强。

4)负载载控制:控制燃料电池电堆输出规定的电流。负载控制应既能以恒电流模式,

又能以恒压,恒功率模式运行.

5)燃料电池温度的监测:建议提供燃料电池中心位置与边缘位置的温度监测值,即内

部最高温度与最低温度点.

6)燃料电池的电流,电压、功率监控和数据采集仪器:在试验过程中实时测量和记录

燃料电池电流,电压、功率。

7)单电池电压的监测仪器:在试验过程中实时测量和记录电池电压

8)设置电池电压保护值低于保护值的情况下自动停止试验防止电池反极，保护电压

设定值一般在0.1V及以上。

9)试验台控制:试验台应能够控制并实时记录试验参数。

10)安全系统:安全系统应该能够在监测到电压报警情况下自动停止试检,建议阳极和

阴极管路具备惰性气体吹扫能力。也建议对高/低单电池电压,压强和温度以及气

体泄漏有实时联动保护功能,同时应配备合适的通风设备.

5.2测试台架试验仪器及精度

用于试验仪器及精度要求如下：

1)测量环境条件的仪器：气压计、湿度计和温度传感器；

2)测量燃料条件的仪器：燃料流量计、压力传感器、温度传感器、湿度传感器；

3)测量氧化剂条件的仪器：氧化剂流量计、压力传感器、温度传感器、湿度传感

器；

4)测量电能输出、输入的仪器：功率表、电压表、电流表、其他附件；

5)测量启动时间的仪器：电子计时器。

表一为试验中仪器测量值的计量单位及试验仪器的精度要求。

表1测量仪器及精度

测量仪器计量单位精度

气压计MPa±1%

湿度计/湿度传感器%±5%RH

温度传感器℃±1℃

压力传感器MPa±1%

质量流量计g/s±1%

电压表V±1%

电流表A±1%

试验设备及仪器应符合国家标准规定。

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5.3环境试验箱

环境试验箱应能满足试验要求的低温环境条件,箱内的温度均匀性及温度控制精度(设定

温度±2℃,供气,冷却剂以及电路的接口均置于环境试验箱内,以保证燃料电池的空气与燃

料入口气体温度为设定的环境温度。箱内应设置氢气报警器,排风口,以保证试验过程的安全

性

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5.4气密性试验平台

气密性试验平台应能满足20042.2-2008中的气密性试验要求,能准确测量装有质子交

换膜工装的外漏和互窜气体量。

6试验方法

6.1概述

根据试验要求,进行燃料电池电堆在低温环境(如0℃、-5℃、-1℃、-20℃、-25℃、

-30℃、-40)下的启动试验,具体环境温度根据试验要求而定.

6.2活化测试

按照燃料电池膜电极生产厂家或GB/T28817-2012.10.8进行膜电极活化试验。

6.3IV特性测试

按照燃料电池膜电极生产厂家或GB/T28817-2012.11进行膜电极IV特性试验。

6.4电化学测试

参数设定

气体湿度入口压力扫描速

测试项电池流量电压范围备注

（An/Ca）（An/Ca）（An/Ca）度

温度

目

CV75℃H2/N2100%RH/100%RH0.5/0.1常压200mV/s0.05~0.9V循环测

LSV75℃H2/N2100%RH/100%RH0.5/0.5常压2mV/s0.2~0.5V试5次

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6.5单电池低温冷启动试验方法

1)在测试夹具内正确放置膜电极，（具体操作按照公司操作指导书进行，夹具压紧力

一般50cm²70~100psi，25cm²40~60psi如委托方有要求按委托方要求进行。）

2)进行燃料电池的气密性试验记录电电池的外漏气体量,互窜气体量,（工装上台架后

进行夹具保压测试保证管路连接正确不漏气），泄漏量不应超过委托方规定的泄漏

量。

3)活化测试,目的使质子交换膜充分湿润，达到最佳状态。（活化方案以委托方提供为

准或参照GB/T28817-2012.11进行初始活化。）

4)按照燃料电池膜电极生产厂家或GB/T28817-2012.11进行膜电极IV特性试验。

5)记录电流,电压、平均电压、阴阳极进口及露点温度等。

6)对单电池进行吹扫（建议阴阳极气体介质为H²/N²），吹扫标准以委托方要求为准.

燃料电池正常稳定运行情况下,按照制造商要求或协商的关机程序,对低温冷启动

前的电池进行关机或参照GB/T28817-201210.9进行关机。

7)将质子交换膜工装置于环境试验箱中,按试验要求设置试验箱温度,按照制造商要

求或协商的方式冷却（一般静置12h及以上）。

8)确认膜电极冷却至试验要求温度后,通入适量的氢气和空气（此时气体不加湿），

对膜电极进行拉载（记录拉载过程中电池持续时间），或按照委托方规定或协商的

低温启动程序启动。

9)重复2),3)、4)、5)、6）、7）、8）连续启动，冷启动（每次启动后对电池进行重

新活化和吹扫，冷却到规定温度静置12h后进行下一次启动）:（建议每次冷启动

后进行电化学CV,LSV测试。）

10)在室温下,进行夹具气密性试验,记录外漏气体量和互窜气体量:（或保压测试检测

外漏气体量如委托方没有提供保压标准，三腔压力按300kpaa进行保压，十五分钟

压力泄露少于1kpaa。互窜气体量采用LSV电化学测试，对测试结果进行简单分析，

得出膜电极阴阳极互窜情况。）

11)在膜电极测试夹具的气密性试验满足安全要求的前提下,进行膜电极的IV特性测

试,记录电流,电压及平均电压。

6.6衰减试验

1)完成冷启动后在常温环境下对膜电极重新进行活化;

2)活化完成后对膜电极进行IV特性试验，在1A/cm²下运行5分钟取最后1分钟的均值;

3)按照此(UE-UA）/UE*100%公式计算电压衰减率.UE：为初始电压；

UA：经过冷启动循环后的电池电压。（电压衰减超10%终止测试）

4)极化测试完成后进行CV测试CV电化学数据：根据公式（1）计算冷启动前后阴极ECSA

衰减率。

N阴极=(SECA冷启前-SECA冷启后）/SECA冷启前*100%...................................(1)

式中：

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N阴极—冷启动阴极ECSA衰减率；

SECA冷启前—冷启动前阴极中Pt的电化学活性面积；

SECA冷启后—冷启动后阴极中Pt的电化学活性面积。

5)LSV电化学数据：根据公式（2）计算冷启动电流密度变化程度。（透氢电流超过15mA/cm²

时终止测试）

I△=Icross后-Icross前.................................................(2)

式中：

I△—冷启动后透氢电流密度增加量

Icross后—冷启动后透氢电流密度

Icross前—冷启动后透氢电流密度

6.7低温气密性测试

在规定的低温环境温度下测试执行6.4中的试验步骤5次、10次、20次后，将膜电极放在

低温环境（温度与低温试验过程中的温度保持一致）下按GB/Z27753-2011要求进行气密测

试。

6.8数据处理

根据表1对膜电极低温冷启动测试进行数据处理,制作相应图表。注意实际操作参数与

其设定点的任何偏差。

表1膜电极低温冷启动测试数据处理要求

测试项目指标参数

低温冷启动前后膜电极电压与电流密度的关系。

极化曲线

低温冷启动前后入口压力和压降与电流密度的关系。

气密检测膜电极夹具低温冷冻前后的气体泄露情况。（包含质子交换膜内漏情况）

电池电压、电流与启动时间的关系。

气体入口压力和压降与启动时间的关系。

低温冷启动电池温度与启动时间的关系。

冷启动次数。

冷启动过程中HFR，电压的变化

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电化学测试CV,LSV分析电荷量和渗氢电流情况，留意膜电极的内在变化。

7实验报告

7.1概述

试验报告应提供足够多的准确,清晰和客观的试验数据以用来进行分析和参考。报告包

括三种形式:摘要:详细和完整。每种形式的报告都应包含相应的标题页和目录。根据本标准

进行的试验,摘要报告将提供给有关各方.

7.2标题页

标题页应介绍下列信息:

○1报告编号(可选);○2报告形式(摘要,详细和完整);○3报告作者:○4试验执行单位;○5报

告日期;○6试验地址:试验名称:○7试验日期和时间。

7.3目录

每种形式报告都应提供相应的目录。

7.4摘要报告

○1摘要报告应包括下列信息：○