燃料电池

燃料电池测试技术介绍

中国新能源汽车评价规程 2020-01-19 10:15

本文为在中国汽研举办的“2019第二届新能源汽车测试评价技术国际论坛”上，中科院大连化学物理研究所高级工程师带来的《燃料电池电池测试技术介绍》。

报告主要包括以下三个部分：第一是燃料电池关键部件的基础性能测试；第二是燃料电池关键部件的稳定性测试；第三是燃料电池堆的性能测试。当前国家对车用燃料电池的发展相当重视，特别是最近几年连续制定了一系列与燃料电池关键零部件有关的国家标准，主要涉及质子交换膜、催化剂、膜电极和双电板等部件的性能测试。

国家标准中涉及的燃料电池关键部件基础性能测试主要包括：测试质子交换膜的质子交换传导率、离子交换当量、拉伸性能、吸水率、溶胀率、厚度均匀性和透气率；测试电催化剂的Pt含量测试、比表面积、孔容、孔径分布、形貌及粒径分布、催化剂密度和电化学活性面积；测试炭纸的厚度均匀性、电阻、机械强度、透气率、孔隙率和表观密度；测试膜电极的厚度均匀性、Pt担载量、单电池极化曲线、渗氢电流、活化极化过电位和欧姆极化过电位；测试双极板的气密性、阻力、面积利用率、厚度均匀性、平面度和电阻。

实际应用中除了需要对燃料电池关键部件的基础性能进行测试，还需要对关键部件的稳定性进行测试，因为燃料电池堆的整体稳定性取决于其关键零部件的稳定性。车用燃料电池的实际使用工况非常复杂，并且燃料电池各部件在不同工况下的损伤机理具有差异性。例如燃料电池启停过程产生的氢空界面会腐蚀催化剂载体，变载过程中的高电压循环变化会加速催化剂的衰减，怠速过程中的高开路电压不仅会加速催化剂的腐蚀还会增强自由基对质子交换膜的攻击，低温冷启动过程中在低于0℃的工作环境下，阴极侧反应生成的水易结冰导致催化层、扩散层堵塞，阻碍反应的进行，并且水结冰产生的体积变化也会对膜电极组件的结构产生破坏，降低燃料电池性能。

总的来说，单体零部件的性能对燃料电池的整体性能起着决定性的影响，因此在电堆集成前需要对各个部件的工作稳定性进行测试。大连化物所现有的燃料电池测试设备主要包括扫描电子显微镜、万能试验机、电化学工作站、电子负载仪、单电池测试台和交流阻抗仪等。膜电极的稳定性测试方法有开路电压法、电位循环法、启动停车循环法、温湿循环法和冰冻/解冻循环法；双极板的稳定性测试方法有化学腐蚀法和电化学腐蚀法。关于膜电极的稳定性测试，我们选用了伏安法，并且试验中膜电极面积为20-50平方厘米，电压扫描范围为0.6-1.0伏，扫描速率为50毫伏每秒，测试周期为30000圈。

下面介绍一些燃料电池堆的通用技术条件、低温特性和安全要求。对于燃料电池而言，现在大家特别关注燃料电池的安全性能，主要包括氢安全、电安全和机械冲击安全。燃料电池堆的氢安全主要是测试氢气从氢仓向大气环境、空气仓或水仓的总泄露量；燃料电池堆的电安全主要是测试电堆集流体和封装表面裸露金属部分的绝缘电阻、电堆集流体和外框表面裸露金属表面的绝缘电阻、电堆接地点和电堆裸露金属面的接触电阻。燃料电池堆的机械冲击安全主要是测试燃料电池在使用过程中通过一些低洼或者颠簸路段时产生的冲击力，以及冲击完成后的电堆气密性。

燃料电池堆的这些安全性能测试试验完成且达标后，表明电堆可以进入下一阶段的测试，包括测试燃料电池堆的活化特性、极化特性曲线、额定输出功率、峰值输出功率及低温冷启动性能。其中增加燃料电池堆质子交换膜的润湿度，可以有效释放膜上的活性位点，降低质子交换膜的传质极化，进而提高催化剂的活性。对燃料电池进行极化曲线测试，就是为了反映电堆内部膜电极上催化剂的反应动力学特性，催化剂材料的界面电阻、欧姆电阻以及膜电极在气体传输过程中产生的极化损失，左下图是一个原理图，右下图是燃料电池电堆的极化曲线。