《质子交换膜燃料电池单电池氧传输阻力测试方法》编制说明

《质子交换膜燃料电池单电池氧传输阻力测试方法》

编制说明

一、工作简况

1.1任务来源

《燃料电池单电池氧传输阻力测试方法》团体标准是由中国汽车工程学会批准立项。文件

号中汽学函【2023】103号，任务号为2023-033。本标准由特嗨氢能检测（保定）有限公司提

出，北京科技大学、中汽研新能源汽车检验中心（天津）有限公司、苏州擎动动力科技有限公

司等单位起草。

1.2编制背景与目标

燃料电池电化学反应发生于膜电极催化剂层，《质子交换膜燃料电池单电池氧传输阻力测

试方法》是一种评估氧气在气体扩散层和催化剂层传质的测试分析方法，可以有效地表征氧气

被运送到催化剂层上的效率。

阴极氧运输效率是影响质子交换膜燃料电池性能的关键因素之一。在燃料电池高电流密度

运行区域，催化剂上的氧气浓度随需要和消耗的氧气变多会明显降低。所以氧输运效率是提高

电池功率的重要因素，该测试方法的开展是一项非常有意义的研究，可有效辅助燃料电池性能

开发工作。

本标准以质子交换膜燃料电池为试验对象，主要规范了质子交换膜燃料电池单电池氧传输

阻力测试方法和数据处理方法。

1.3主要工作过程

1.3.1预研阶段

本标准由特嗨氢能检测（保定）有限公司牵头，调研现有国内国外的燃料电池氧传输阻力

测试相关标准内容，找出标准不足和不适用地方，确定本标准的主要条款内容，并于2022年1

月份进行了标准相关试验操作验证工作，经过试验验证相关工作和大量试验数据积累，2022年

10月进行总结分析和标准草案的编制工作。

1.3.2立项阶段

2023年3月特嗨氢能检测（保定）有限公司编制、评审修订团标立项申请表和标准草案，

并向中国汽车工程学会申报立项。

2023年4月参加标准立项审查会，会上特嗨对本标准的立项背景、内容、编制说明等进行

了简要介绍，并对参会专家提出的问题进行一一解答。

1

2023年5月中国汽车工程学会发布通告，标准正式立项通过，起草任务书号：2023-

033，确定了标准题目为《质子交换膜燃料电池单电池阴极氧传输阻力测试方法》。

1.3.3起草阶段

根据任务要求，特嗨氢能检测（保定）有限公司于2023年7月成立了标准编制工作起草小

组，组织标准编制组织工作。标准编制工作起草小组在2023年12月份积极组织筹备和征集标

准起草单位。经过近两个月的征集、评审和筛选，并最终由特嗨氢能检测（保定）有限公司确

定了标准起草工作组的成员单位，成立了标准起草工作组。

标准起草工作组制定了标准编制工作计划、编写大纲，明确任务分工及各阶段进度时间。

同时标准起草工作组成员认真学习了GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分:标准的结构

和编写规则》，结合标准制定工作程序的各个环节，进行了探讨和研究。

2023年8月22日组织了第一次标准起草小组组内会议，由特嗨主持，参加单位有国氢科

技、无锡威孚、科创平台、天津中汽研等10家。会议由特嗨对本标准的来源、目的、技术内

容方向进行了简单介绍，主要针对标准的规定术语和定义、测试方法中的相关技术参数进行了

逐条讲解及深入讨论。会议中专家对术语定义、测试步骤等提出了宝贵意见。会后整理专家修

改意见，进行了草案修改。

2024年8月20日组织召开了第二次工作组线上会议，由特嗨主持，参加单位有天津中汽

研、山东国创、北京科技大学等11家。对标准中涉及的公式、图例等提出宝贵意见。会后整理

专家修改意见，进行了草案修改。

主要修改意见及会议讨论结果如下表：

提

标准

序出处理意见

章条原文修改意见

号单及理由

编号

位

中

国

本标准适用于质子石

交换膜燃料电池催油

本标准适用于质子交换膜燃料电池催化

1.1化层和气体扩散层大采纳

层和气体扩散层中氧传输阻力评价。

中气传输阻力评学

价。（

华

东）

“GB/T20042.5-2009质子交换膜

中

规范性引用文燃料电池：膜电极测试方法。”建议修

2.2汽采纳

件改为“GB/T20042.5质子交换膜燃料电

研

池：膜电极测试方法。”

2

提

标准

序出处理意见

章条原文修改意见

号单及理由

编号

位

氧气从流场到

达催化剂的活性位

点参与电化学反中

应，当催化剂表面国

氧气从流场到达催化剂的活性位点

的氧气消耗速率等石

参与电化学反应，当催化剂表面的氧气

于氧气从极板流场油

消耗速率与氧气从极板流场到催化剂纳

3.3．1到催化剂纳米颗粒大同第四条

米颗粒表面的迁移速率相等时，催化剂

表面的迁移速率时学

表面的氧气浓度接近于零。此时的电流

候，即催化剂表面（

密度称之为极限电流密度。

的氧气浓度接近于华

零，此时的电流密东）

度称之为极限电流

密度。

当催化剂表面的氧

气消耗速率等于氧

气从极板流场到催GBT20042.1-2017中对极限电流定义为：

化剂纳米颗粒表面反应物到达催化剂表面瞬间便全部反应襄

的迁移速率时候，致使其在催化剂表面的浓度为零时的电阳

4.3.1采纳

即催化剂表面的氧流,表现为燃料电池输出电压为零。反应达

气浓度接近于零，物为氢气和氧气，所以极限电流密度是安

此时的电流密度称否需将氢气供应做前提说明？

之为极限电流密

度。

维持原

襄文：极限

标准未体现这个设备的作用，是否一定阳电流密度

5.4高频阻抗分析仪

需要这个设备？达计算需要

安用到高频

阻抗

“应满足GB/T20042.5-2009中6.2.3的要中

表1燃料电池测试

6.4求”建议修改为“应满足GB/T20042.5中汽采纳

台的要求

6.2.3的要求”研

部分

采纳：膜

科

推荐膜电极有效面创电极样品

7.5.1建议不设定，或者25cm²

积5cm²以下平结构包括

台

质子交换

膜、阴阳

3

提

标准

序出处理意见

章条原文修改意见

号单及理由

编号

位

极催化剂

层、阴阳

极气体扩刘挺8675

散层，并

且四周用

边框实现

有效的密

封，推荐

膜电极有

效面积≤

25cm²。

备注：膜

电极有效

面积的选

取需考虑

测试夹具

流场型

式，测试

过程夹具

阴极进出

口压差影

响氧气浓

度分配均

匀性，影

响测试结

果。

4

提

标准

序出处理意见

章条原文修改意见

号单及理由

编号

位

山

刘挺8675同于第刘挺86757

推荐膜电极有效面西

8.5.1条处理意

积5㎝²以下大

见

学

流场型式和活性面积

GB/T20042.5-2009正在修订，考虑后期

新标准会代替旧标准，建议考虑是否还刘挺8675中刘挺8675

关于GB/T20042.5-

9.5、6要保留“-2009”的版本要求，展开提供一汽采纳

2009的描述

些气密性和活化的具体方法，并允许委研

托方与测试方协商可能更方便执行。

电池气密性测试参

科

照GB/T20042.5-国标中涉及的检漏方式，行业中并不采创

10.6.1采纳

20096.5用平

台

进行。

多孔介质中主要扩

散过程是分子扩散

和克努森扩散。从

科

孔径分布和燃料电

其产生的阻力与压力有关改为“其氧气创

11.6.3.1池运行条件来看，采纳

传输阻力与压力有关”平

GDL碳纸基材中的

台

扩散过程主要是分

子扩散，其产生的

阻力与压力有关。

科

GDL中的MPL和GDL中的MPL和催化剂层孔隙尺寸接创

12.6.3.1采纳

催化剂层孔隙较小近气体分子热运动自由程平

台

GDL中的MPL和

催化剂层孔隙较

小，反应物分子与

科

孔壁之间的相互作

其产生的阻力与压力无关改为“其氧气创

13.6.3.1用比分子碰撞更为采纳

传输阻力与压力无关”平

重要，主要以克努

台

森扩散为主，其产

生的阻力与压力无

关。

5

提

标准

序出处理意见

章条原文修改意见

号单及理由

编号

位

中部分采

国纳：有效

石活性面积

油为4cm²

6.3.2.以(2*2.)cm²燃料电以有效活性面积为2*2cm²的燃料电池单

14.大（长*宽

1池单电池为例电池为例

学2cm*2cm

（）的燃料

华电池单电

东）池

中

国

阴极：空气与氮气石

的混合气，其中氧油

6.3.2.

15.气浓度为1%，2%，需要写出测试的流量大采纳

1

3%，4%，5%，学

RH90%；（

华

东）

阴极：空气与

科

氮气的混合气，其

6.3.2.创

16.中氧气浓度为1%，都用逗号的话，表述有歧义；浓度和湿度采纳

1平

2%，3%，4%，5%，

台

RH90%

科

出口背压：

6.3.2.创

17.150kPa，170kPa，未指明是表压还是绝压采纳

1平

200kPa，250kPa

台

出口背压：

6.3.2.威

18.150kPa，170kPa，压力单位是绝对压力还是相对压力采纳

1孚

200kPa，250kPa

中

在一定压力

国

下，分别进行不同

石

氧气浓度上述电压在一定压力下，采用上述电压模式测试

油

6.3.2.模式的极化曲线测单电池在不同氧气浓度下的极化曲线。

19.大采纳

2（2）试，阴极气体氧气阴极气体氧气浓度测试顺序：从低氧浓

学

浓度测试顺序按照度到高氧浓度。

（

从氧气低浓度到氧

华

气高浓度的顺序。

东）

6.3.2.（1）在规定极化曲线测试之前，需要在规定电池操擎采纳：在

20.

2电池操作条件下，作条件下稳定一段时间动规定电池

6

提

标准

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号单及理由

编号

位

采取恒定电压模式科操作条件

进行极化曲线测试技下，电池

在额定电

压稳定一刘挺8675

段时间，

然后采取

恒定电压

模式进行

极化曲线

测试，

（1）在规定擎

6.3.2.电池操作条件重复测试几次，至该操作条件下极化曲动

21.不采纳

2下……恒电压放电线重合，再进行下一条件测试科

2min，记录数据技

采纳：在

规定电池

操作条件

下，电池

刘挺8675

擎在额定电

（2）在一定

6.3.2.每次更换氧浓度，OCV下吹扫一段时间动压稳定一

22.压力下……的顺

2使得管路内气体为所需氧浓度科段时间，

序。

技然后采取

恒定电压

模式进行

极化曲线

刘挺8675

测试，

电压设定值以范围合理性存疑。电压过低时（小于科

26.3.2.0.05V的间隔从0.1V）发生的HOR反应电流会干扰极创

采纳

320.3V到0.05V范围限电流值的判断，取0.4~0.1V可能更平

进行测量合适台

相邻两个不同电压应该根据HFR值扣除内阻影响后，再

下的测试结果变化进行判定；并以直线的反向延长线与x

科

——测试电流密度轴（电流轴）的交点为极限电流值。否

26.3.2.创

变化稳定在则，可能存在任意两个点之间的电流值采纳

42平

20mA/cm²以内，该都满足误差要求、但整体呈现线性增长

台

电流密度视为极限（随电压降低）的趋势，而只能人为选

电流密度。择数据点

7

提

标准

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号单及理由

编号

位

相邻两个不同

电压下的测试结果

变化——测试电流

不同电压不明确，建议统一电压如在极

26.3.2.威

密度变化稳定在化时能测到的最小电压或通过拟合的方采纳

52（4）孚

式按照0V来计算极限电流密度

20mA/cm²以内，该

电流密度视为极限

电流密度

——阴极：空气与

氮气的混合气，其襄

阴极未对流量供应进行说明，6.3.2.2（1）

26.3.2.阳

中氧气浓度为1%，中恒压测试无法明确阴极流量应该给多采纳

61达

少。

2%，3%，4%，5%，安

RH90%；

在规定电池操作条

襄

6.3.2.

2件下，采取恒定电规定条件变量较多，无法明确具体操作阳

2采纳

7条件达

（1）压模式进行极化曲

安

线测试

每个电压点对应的

襄

6.3.2.

2电流稳定后，恒电电流稳定的标准是什么，什么状态下电阳20

2

8流才算稳定达mA/cm²

（1）压放电2min，记录

安

数据

在一定压力下，分一定压力是多少压力，描述歧义较大。直

襄

6.3.2.接说明在规定条件背压75kPa，其余条件

2别进行不同氧气浓阳

2一致，不同氧气浓度下测极化曲线；之后采纳

9达

（2）度上述电压模式的设置背压不同重复上述步骤进行极化曲

安

极化曲线测试线测试。

该电流密度视为极限电流密度，未明确

襄

6.3.2.“该电流密度”是什么电流密度。极限电

3测试电流密度变化阳

2流密度为0V下的电流密度，但是步骤中采纳

0达

（4）稳定在20mA/cm²以只测到0.05V对应的电流密度，是否能

安

等同极限电流密度？

8

提

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编号

位

内，该电流密度视

为极限电流密度。

同一压力下，阴极

采用不同流量进行

试验选定了不同流量测得极限电流密

极限电流密度测度，前期不同流量如何选择？同一压力

襄

6.3.2.下这个条件选的是什么压力？之后通过

3试，得到的极限电阳

2极限电流密度再得出最佳流量的意义是采纳

1达

（5）流密度与氧气浓度什么未进行说明，是否这个试验是前置

安

图像中直线斜率维试验得出整个试验的流量条件，然后再

进行前面那些测试步骤。

持不变时的流量为

阴极最佳流量

以(2*2.)cm²燃料电襄

6.3.2.

3举了例子但是没说明最佳流量为哪个的阳

2池单电池为例，图采纳

2结论达

（5）

像见图1：安

建议按照6.3.1电池操作条件、6.3.2测试部分采

中

3关于测试方法的结步骤进行描述。将原文里的6.3.1概述部纳：定义

6.3汽

3构分删减或留下公式及必要说明放入第7和数据处

刘挺8675研

节数据处理中。理

——阳极：氢气，

此处以2*2cm2单电池为例给出了阳极流中

36.3.2.维持原

流量0.5NLPM，量，建议阴阳极流量考虑按照每平方厘汽

41文：举例

米归一化。研

RH90%；

（4）相邻两个不

同电压下的测试结

果变化——测试电

中

36.3.2.极限电流密度的定义较为模糊，建议细

流密度变化稳定在汽采纳

52（4）化

研

20mA/cm²以内，该

电流密度视为极限

电流密度。

9

提

标准

序出处理意见

章条原文修改意见

号单及理由

编号

位

以氧气浓度为横

擎

3轴，极限电流密度按照公式，图2横轴应为氧分压，单位动

7.1部分采纳

6实测值为纵轴……kPa科

技

计算公式如下：

中

国

石

P4F14F

RO2油

3totalRTibRT

7.1limPO2与ilim分别代表什么需给出大采纳

7