質子交換膜燃料電池膜電極 工況適應性測試方法（GB/Z 27753-2011）

1范圍 　　本指導性技術文件規(guī)定了質子交換膜燃料電池（PEMFC）膜電極（MEA）典型汽車運行工況測試方法的術語和定義、邊界條件、測試環(huán)境條件、測試準備、質子交換膜燃料電池膜電極工況適應性測試實驗及試驗報告。 　　本指導性技術文件適用于符合被檢測方提出的性能要求的膜電極，采用活性面積為5cm×5cm的單電池進行測試，用來評價膜電極（MEA）對燃料電池典型工況的適應性，但不考慮加速測試壽命和實際壽命的對應關系． 　　2規(guī)范性引用文件 　　下列文件對于本文件的應用是必不可少的．凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。 　　GB 3095-1996環(huán)境空氣質量標準 　　GB/T 20042.1質子交換膜燃料電池術語 　　GB/T 20042.5-2009質子交換膜燃料電池第5部分：膜電極測試方法 　　GB/T 24548-2009燃料電池電動汽車術語 　　3術語和定義 　　GB/T 20042.1，GB/T 24548-2009界定的以及下列術語和定義適用于本指導性技術文件。 　　3.1 　　工況operating condition 　　燃料電池的工作狀態(tài)，本文件的工作狀態(tài)相應于汽車的工作狀態(tài)。 　　3.2 　　典型工況typical condition 　　燃料電池運行時主要存在的工作狀態(tài)，包括開路工況、額定工況、怠速工況和過載工況等。 　　3.3 　　開路工況open circuit condition 　　燃料電池不加負載時的工作狀態(tài)。 　　3.4 　　額定工況rated condition 　　送檢方規(guī)定的燃料電池能夠長時間持續(xù)工作的工作狀態(tài)。 　　3.5 　　額定功率rated power 　　燃料電池在額定工況條件下的凈輸出功率。 　　3.6 　　怠速工況idle condition 　　燃料電池處于工作狀態(tài)，但燃料電池系統凈輸出功率為零的狀態(tài)，也就是僅給自身供電而不對系統外供電的工作狀態(tài)。 　　3.7 　　過載工況overload condition 　　送檢方規(guī)定的燃料電池的凈輸出功率大于額定功率時的工作狀態(tài)． 　　3.8 　　意速一額定循環(huán)工況idle-rated cycle condition 　　燃料電池在怠速工況和額定工況之間交替循環(huán)運行。 　　3.9 　　意速一過載循環(huán)工況idle-overloading cycle condition 　　燃料電池在怠速工況和過載工況之間交替循環(huán)運行。 　　3.10 　　開路一怠速循環(huán)工況open circuit-idle cycle condition 　　然料電池在開路工況和怠速工況之間交替循環(huán)運行． 　　3.11 　　組合循環(huán)工況combined cycle condition 　　將燃料電池各典型工況按照對燃料電池性能影響的比重組合為一個循環(huán)譜圖，以檢側燃料電池的性能。 　　注：在側試中各典型工況既可以用功率和電流表示，也可以用電壓表示，本指導性技術文件推薦用電壓表示。 　　4邊界條件 　　4.1樣品的邊界條件 　　本指導性技術文件不考慮下列因素的影響： 　　——燃料電池性能； 　　——雙極板的耐久性； 　　——流場板的性能。 　　4.2側試的邊界條件 　　本指導性技術文件不考慮下列因素的影響： 　　——雜質氣體； 　　——低溫啟動（小于0℃)； 　　——控制微擾； 　　——工作環(huán)境的振動； 　　——突發(fā)事件。 　　5 N試環(huán)境條件 　　本指導性技術文件的測試環(huán)境條件為： 　　——海拔：＜1000m； 　　——溫度：15℃一30℃； 　　——測試氣體： 　　6測試準備 　　6.1測試儀器和設備 　　6.1.1集流板（也作為端板） 　　集流板采用鍍金不銹鋼板。 　　6.1.2流場板 　　流場板為采用帶有電腦刻繪的蛇形流場的純石墨板。 　　6.1.3燃料電池耐久性測試平臺 　　采用GB/T 20042.5-2009的測試平臺。電流調節(jié)精度為≤0.1A；調節(jié)時間（100ms；電壓調節(jié)精度為（0.01V；電壓表量程≥2V。并可以恒電流或／和恒電壓方式放電，放電電流、電壓、時間按程序可以自動控制，電壓調節(jié)速率可人為設定。 　　6.2測試取樣 　　測試取樣的要求如下： 　　a）測試樣品MEA：為由質子交換膜（Membrane)、催化劑層（Catalyst layer）和氣體擴散層(GDL)組成的五合一結構。 　　b)樣品尺寸：為使測試結果具有代表性，活性面積為5cm×5cm并對樣品有效面積之外的四周進行密封處理。 　　c)測試試樣應無油污、無折皺，也不應該有缺陷和破損。 　　d）樣品數量5個，以滿足3次有效試驗的要求。 　　6.3其他要求 　　測試準備的其他要求參見附錄A。 　　7質子交換膜燃料電池膜電極工況適應性測試試驗 　　7.1總則 　　本指導性技術文件的質子交換膜燃料電池膜電極工況適應性測試試驗包括單一工況及組合循環(huán)工況的適應性測試。 　　7.2測試條件設定 　　根據送檢方的要求確定工況適應性測試項目。 　　測試條件根據送檢方要求可以設定功率，電流或電壓。本指導性技術文件推薦在工況適應性測試試驗中燃料電池的運行狀態(tài)均用電壓控制．在測試中，由送檢方提供測試樣品的各工況操作條件或各工況輸出參數和極化曲線，檢測方根據送檢方要求及提供的數據制定側試方案。 　　7.3游料電池組裝 　　將送測樣品與相應規(guī)格的流場板、集流板及端板等組裝為單電池，組裝應滿足如下條件： 　　a)氣體擴散層與雙極板之間的接觸電阻最小。 　　注：可提前進行流場板與氣體擴散材料接觸電阻測試，獲得二者之間最小接觸電阻所需夾緊力，并根據如下公式進行滿足上述要求的組裝力的計算： 　　b）擴散層厚度方向的壓縮應力不破壞膜電極及氣體擴散介質的微觀結構。 　　7.4燃料電池試漏 　　7.4.1堵住燃料電他陰極的人口、出口以及陽極的出口，向陽極的人口通人送梭方規(guī)定的最高工作壓力的測試氣體（如空氣或氮氣），保持此壓力時間）5min。如果氣體壓力降）5kPa，則認為該單電池陽極存在外漏。檢查并確定漏氣部位，進行相應處理；同理，堵住燃料電池陽極的人口、出口以及陰極的出口，向陰極的人口通人送檢方規(guī)定的最高工作壓力的測試氣體（如空氣或氮氣），保持此壓力時間>5min。如果氣體壓力降）5kPa，則認為該單電池陰極存在外漏。檢查并確定漏氣部位，進行相應處理。 　　7.4.2如果沒有檢側到外漏，按照7.4.1中相近的方法，堵住陽極的出口及陰極的人口，向陽極的人口通人送檢方規(guī)定的最高工作壓力的測試氣體（如空氣或氮氣），保持此壓力時間）10min，如果氣體壓力降）2kPa，則膜電極出現串氣，送檢樣品不能進行工況性在線加速測試。 　　7.5單電池活化 　　7.5.1將單電池安裝到燃料電池測試平臺上。 　　7.5.2以反應氣體為活化介質，按膜電極（MEA）送檢方要求控制操作工況，活化條件由送檢方提出，包括加濕度、氣體的過量系數、電池溫度、背壓保持恒定值以及燃料電池運行的電流密度和燃料電池運行時間，對單電池進行活化處理。當電池在同一電流密度下電壓穩(wěn)定在同一值時，電池活化完成。 　　7.6開路工況試驗 　　7.6.1用活化好的單電池測定極化曲線、催化劑的電化學活性面積和氫滲透率．測試方法參見GB/T 20042.5-2009。 　　7.6.2將單電池在開路狀態(tài)保持80h后進行測試。測試條件由送檢方提出，包括加濕度、氣體的過量系數、電池溫度、背壓保持恒定值等。 　　7.6.3每8h側定一次單電池的極化曲線、催化劑的電化學活性面積和氫滲透率，并計算每次循環(huán)后極化曲線側試結果中電流密度為600mA/cm2時的電壓降、催化劑的電化學活性面積的減少量和氫滲透率的增加量。 　　7.6.4計算600mA/cm2時每小時的電壓衰減率、電化學活性面積損失率和氫滲透增加率。 　　7.7怠速工況試驗 　　7.7.1用活化好的單電池測定極化曲線、催化劑的電化學活性面積和氫滲透率。 　　7.7.2將單電池在怠速工況保持80h后進行測試．加載條件根據送檢方要求可以設定功率、電流或電壓。測試條件由送檢方提出，包括加濕度、氣體的過量系數、電池溫度、背壓保持恒定值、加載速率等。 　　7.7.3每8h測定一次單電池的極化曲線、催化劑的電化學活性面積和氫滲透率，并計算每次循環(huán)后極化曲線測試結果中電流密度為600mA/cm2時的電壓降、催化劑電化學活性面積的減少量和氫滲透率的增加量。 　　7.7.4計算600mA/cm2時每小時的電壓衰減率、電化學活性面積損失率和氫滲透增加率。 　　7.8過載工況試驗 　　7.8.1用活化好的單電池測定極化曲線、催化劑的電化學活性面積和氫滲透率。 　　7.8.2將單電池在過載工況保持80h后進行測試。加載條件根據送檢方要求可以設定功率、電流或電壓。測試條件由送檢方提出，包括加濕度、氣體的過量系數、電池溫度、背壓保持恒定值、加載速率等。 　　7.8.3每8h測定一次單電池的極化曲線、催化劑的電化學活性面積和氫滲透率，并計算每次循環(huán)后極化曲線測試結果中電流密度為600mA/cm2時的電壓降、催化劑電化學活性面積的減少量和氫滲透率的增加量。 　　7.8.4計算600mA/cm2時每小時的電壓衰減率、電化學活性面積損失率和氫滲透增加率。 　　7.9怠速一額定循環(huán)工況試驗 　　7.9.1用活化好的單電池測定極化曲線、催化劑的電化學活性面積和氫滲透率。 　　7.9.2將單電池在怠速工況和額定工況之間循環(huán)變化，每一工況保持2min，加載條件根據送檢方要求可以設定功率、電流或電壓。測試條件由送檢方提出，包括加濕度、氣體的過量系數、電池溫度、背壓保持恒定值、加載速率等。 　　7.9.3分別在怠速工況一額定工況循環(huán)0次、120次、240次、360次、480次、600次、720次、840次、960次、1 08。次和1 200次后測定單電池的極化曲線、催化劑的電化學活性面積和氫滲透率，并計算每次循環(huán)后極化曲線測試結果中電流密度為600mA/cm2時的電壓降、催化劑電化學活性面積的減少量和氫滲透率的增加量。 　　7.9.4計算每個循環(huán)600mA/cm2時的電壓衰減率、電化學活性面積損失率和氫滲透增加率。 　　7.10怠速一過載循環(huán)工況試驗 　　7.10.1用活化好的單電池測定極化曲線、催化劑的電化學活性面積和氫滲透率。 　　7.10.2將單電池在怠速工況和過載工況之間循環(huán)變化，每一工況保持2min，加載條件根據送檢方要求可以設定功率、電流或電壓．測試條件由送檢方提出，包括加濕度、氣體的過量系數、電池溫度、背壓保持恒定值、加載速率等。 　　7.10.3分別在怠速工況一過載工況循環(huán)。次、120次、240次、360次、480次、600次、720次、840次、960次、1080次和1200次后測定單電池的極化曲線、催化劑的電化學活性面積和氫滲透率，并計算每次循環(huán)后極化曲線測試結果中電流密度為600mA/cm2時的電壓降、催化劑電化學活性面積的減少量和氫滲透率的增加量。 　　7.10.4計算每個循環(huán)600mA/cm2時的電壓衰減率、電化學活性面積損失率和氫滲透增加率。 　　7.11開路一怠速循環(huán)工況試驗 　　7.11.1用活化好的單電池測定極化曲線、催化劑的電化學活性面積和氫滲透率。 　　7.11.2將單電池在開路工況和怠速工況之間循環(huán)變化，每一工況保持2min，加載條件根據送檢方要求可以設定功率、電流或電壓。側試條件由送檢方提出，包括加濕度、氣體的過量系數、電池溫度、背壓保持恒定值、加載速率等。 　　7.11.3分別在開路工況一怠速工況循環(huán)0次、120次、240次、360次、480次、600次、720次、840次、960次、1080次和1200次后測定單電池的極化曲線、催化劑的電化學活性面積和氫滲透率，并計算每 　　次循環(huán)后極化曲線測試結果中電流密度為600mA/cm2時的電壓降、催化劑電化學活性面積的減少量和氫滲透率的增加量。 　　7.11.4計算每個循環(huán)600mA/cm2時的電壓衰減率、電化學活性面積損失率和氫滲透增加率。 　　7.12組合循環(huán)工況試驗 　　7.12.1用活化好的單電池測定極化曲線、催化劑的電化學活性面積和氫滲透率。 　　7.12.2將單電池按表1所示進行組合循環(huán)工況測試，加載條件根據送檢方要求可以設定功率、電流或電壓。側試條件由送檢方提出，包括加濕度、氣體的過量系數、電池溫度、背壓保持恒定值、加載速率等。 　　7.12.3每側完一個循環(huán)后應側定單電池的極化曲線、催化劑的有效活性面積和氫滲透率，并計算每次循環(huán)后極化曲線測試結果中電流密度為600mA/cm2時的電壓降、催化劑電化學活性面積的減少量和氫滲透率的增加量。 　　7.12.4當電池性能低于下面任何一項或循環(huán)次數達到40次時，停止循環(huán)測試：氫滲透率≥20mA/cm2，電化學活性面積小于15㎡/g，600mA/cm2的電壓損失≥30mV。 　　7.12.5給出最終結果：平均每循環(huán)600mA/cm2時電壓衰減率、電化學活性面積損失率和氫滲透增加率，并注明總循環(huán)次數。 　　8試驗報告 　　8.1概述 　　根據所做試驗，試驗報告應提供足夠多的正確、清晰和客觀的數據用來進行分析和參考．報告應包含各章中所有的數據．報告有三種形式，摘要式、詳細式和完整式。每個類型的報告都應包含相同的標題頁和內容目錄。 　　8.2測試報告內容 　　8.2.1標題頁 　　標題頁應介紹下列各項信息： 　　——國家標準代號； 　　——樣品名稱、材料組成、規(guī)格； 　　——試樣狀態(tài)調節(jié)及測試標準環(huán)境， 　　——試驗機型號； 　　——試驗日期、人員． 　　標題頁應包括下列各項內容： 　　——報告編號（可選擇）， 　　——報告的類型（摘要式、詳細式和完整式）； 　　——報告的作者； 　　——試驗者； 　　——報告日期， 　　——試驗的場所； 　　——試驗的名稱； 　　——試驗日期和時間； 　　——試驗申請單位． 　　8.2.2內容目錄 　　每種類型的報告都應提供一個目錄。 　　8.2.3測試報告形式 　　8.2.3.1摘要式報告 　　摘要式報告應包括下列各項信息： 　　——試驗的目的； 　　——試驗的種類，儀器和設備； 　　——所有的試驗結果； 　　——每個試驗結果的不確定因素和確定因素； 　　——摘要性結論。 　　8.2.3.2詳細式報告 　　詳細式報告除包含摘要式報告的內容外，還應包括下列各項信息： 　　——試驗操作方式和試驗流程圖； 　　——儀器和設備的安排、布置和操作條件的描述； 　　——儀器設備校準情況； 　　——用圖或表的形式說明試驗結果； 　　——試驗結果的討論分析． 　　8.2.3.3完整式報告 　　完整式報告除了包含詳細內容，還應有原始數據的副本，此外還應包括下列各項信息： 　　——試驗進行時間； 　　——用于試驗的測量設備的精度； 　　——試驗的環(huán)境條件； 　　——試驗者的姓名和資格； 　　——完整和詳細的不確定度分析。 附錄A （資料性附錄） 測試準備 　　A.1概述 　　本指導性技術文件描述在進行測試之前應該考慮的典型項目．對于每項試驗來說，應選擇高精度的檢測儀器及設備，以便將不確定因素減到最少．應準備一個書面的測試計劃，下列各項應該列人測試計劃： 　　a）目的； 　　b)側試規(guī)范； 　　c)測試人員資格， 　　d)質量保證標準（符合ISO 9000和相關標準）； 　　e)結果不確定度（符合IEC/ISO檢測值不確定度的表述指南）； 　　f)對測量儀器及設備的要求； 　　g)側試參數范圍的估計； 　　h）數據采集計劃（符合A.2的要求）； 　　i)必要時，列出以氫氣作為燃料的最低安全要求事項（由最終產品制造者提供說明文件）。 　　A.2數據采集和記錄 　　為滿足目標誤差要求，數據采集系統和數據記錄設備應滿足采集頻次與采集速度的需要，其性能應優(yōu)于性能試驗設備。