《燃料電池電動汽車燃料電池堆耐久性試驗方法》

T/CSAEXXX—2023

燃料電池電動汽車燃料電池堆耐久性試驗方法

1范圍

本規(guī)范規(guī)定了燃料電池電動汽車用燃料電池堆的耐久性試驗方法。

本規(guī)范適用于車用質(zhì)子交換膜燃料電池堆。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所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/T20042.1-2017質(zhì)子交換膜燃料電池第1部分：術(shù)語

GB/T20042.2-2008質(zhì)子交換膜燃料電池電池堆通用技術(shù)條件

GB/T24548-2009燃料電池電動汽車術(shù)語

GB/T29838-2013燃料電池模塊

GB/T36288-2018燃料電池電動汽車燃料電池堆安全要求

GB/T37244質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣

GB/T38914-2020車用質(zhì)子交換膜燃料電池堆使用壽命測試評價方法

T/CASEXXX-2023燃料電池電動汽車燃料電池堆性能試驗方法

3術(shù)語和定義

T/CASEXXX-2023、GB/T20042.1-2017、GB/T24548-2009、GB/T38914-2020界定的以及下列術(shù)語

和定義適用于本文件。

3.1

參考電流referencecurrent

在耐久試驗中，初始穩(wěn)態(tài)特性（極化曲線）測試中燃料電池堆對應(yīng)平均單電池電壓為0.70V±0.005

V時的電流。

3.2

耐久性durability

燃料電池堆在正常的使用條件下，保持長期正常穩(wěn)定運行的能力。

4測量參數(shù)、單位和準(zhǔn)確度

表1規(guī)定了試驗測量的參數(shù)、單位和準(zhǔn)確度。

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表1測量參數(shù)、單位和準(zhǔn)確度的要求

測量參數(shù)單位準(zhǔn)確度分辨率

時間s±0.10.1

溫度℃±10.1

壓力kPa±20.1

氣體流量a.bNLPM±1%FS0.1

氣體流量a,cNCCM±1%FS0.01

水流量L/min±1%FS0.1

單電池電壓V±0.0010.0001

總電壓V±0.5%FS0.1

電流A±0.5%FS0.1

相對濕度%±3%0.1

電導(dǎo)率μS/cm±0.5%0.001

a氣體流量（NPLM、NCCM）對應(yīng)的氣體狀態(tài)是0oC，101325Pa；

b針對燃料電池堆額定、峰值、極化曲線等性能測試的要求。

c針對氣密性測試的要求。

5試驗條件及試驗要求

5.1燃料電池堆的要求

制造廠提供的燃料電池堆應(yīng)滿足以下要求：

——樣品外觀完好，無開裂、變形等明顯損傷；

——滿足GB/T36288-2018中5.2的氣密性安全要求和5.3.1的絕緣性能要求。

5.2環(huán)境條件

環(huán)境條件應(yīng)滿足以下要求：

——海拔不超過1000m，環(huán)境溫度為23℃±5℃，試驗室應(yīng)與室外保持通風(fēng)；

——環(huán)境濕度條件應(yīng)在10%RH~60%RH之間。

5.3試驗用氫氣要求

試驗用氫氣應(yīng)符合GB/T37244的要求。

5.4燃料電池堆試驗平臺要求

燃料電池堆試驗平臺應(yīng)滿足以下要求：

——具備氫氣濃度監(jiān)測報警功能；

——應(yīng)能夠同步采集單電池電壓、電流、流量、溫度、濕度和壓力等數(shù)據(jù)；

——采樣頻率至少為5Hz。

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5.5試驗條件

試驗條件應(yīng)滿足以下要求：

——燃料電池堆的最小計量比電流設(shè)定值應(yīng)不大于0.8A/cm2電流密度所對應(yīng)的電流值；

——燃料電池堆的陽極氣體計量比不大于2.0；

——燃料電池堆的陰極氣體計量比應(yīng)不大于2.0；

——燃料電池堆的陰陽極氣體入口壓力應(yīng)不大于180kPa（表壓）。

6試驗方法

6.1總則

除特別規(guī)定的情況外，加載和減載過程一般按制造廠要求的控制方法完成操作。當(dāng)發(fā)生意外停機時，

要及時降低燃料電池堆電壓至各單電池電壓0.3V以下。

6.2氣密性

按T/CASEXXX-2023中的6.3的規(guī)定進行。

6.3絕緣電阻

按T/CASEXXX-2023中的6.4的規(guī)定進行。

6.4穩(wěn)態(tài)特性（極化曲線）

穩(wěn)態(tài)特性（極化曲線）測試按以下方法進行：

a)按照制造廠的技術(shù)要求對燃料電池堆進行活化和調(diào)整，活化和調(diào)整時間應(yīng)不超過4h；

b)調(diào)節(jié)燃料電池堆試驗平臺參數(shù)，使燃料電池堆的進氣溫度、濕度、壓力和冷卻水出入口溫度、壓

力處在規(guī)定的范圍內(nèi)；

c)按照附錄表B.1進行加載，在每個工況點，運行條件達到制造廠規(guī)定后，持續(xù)運行一段時間；

d)按照附錄表B.1進行降載，每個工況點持續(xù)運行30s，停機后按照制造廠的要求進行吹掃；

e)測試結(jié)果按附錄表B.1要求填寫，各工況點結(jié)果取電流加載階躍前第11s至階躍前第40s之間數(shù)據(jù)

的平均值。

6.5耐久性

燃料電池堆耐久性試驗應(yīng)按照以下步驟進行：

a)按照第6.2條和第6.3條規(guī)定的方法進行初始氣密性、絕緣電阻測試；

b)按照制造廠的要求對燃料電池堆進行活化和調(diào)整，活化和調(diào)整時間應(yīng)不超過4h；

c)按照第6.4條規(guī)定的方法對燃料電池堆進行初始穩(wěn)態(tài)特性（極化曲線）測試，加載工況點應(yīng)涵

蓋參考電流IS；

d)按照制造廠的技術(shù)要求，調(diào)節(jié)燃料電池堆試驗平臺參數(shù)，使燃料電池堆的進氣溫度、濕度、壓

力和冷卻水出入口溫度、壓力處在規(guī)定的范圍內(nèi)；

e)根據(jù)附錄表C.1循環(huán)工況，按照制造廠提供的操作條件進行加減載；

f)每進行100h（即200次循環(huán)工況）試驗，按照第6.4條步驟b）~e）對燃料電池堆進行穩(wěn)態(tài)特

性（極化曲線）測試；

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g)繼續(xù)按照循環(huán)工況進行加載，每當(dāng)累計循環(huán)工況試驗時間達到200h（即400次循環(huán)工況），第

6.4條對燃料電池堆進行穩(wěn)態(tài)特性（極化曲線）測試

h)待燃料電池堆冷卻至室溫，按照第6.2條和第6.3條進行氣密性、絕緣電阻測試；

i)重復(fù)執(zhí)行步驟d）~h）；

j)當(dāng)燃料電池堆達到7.2規(guī)定的條件時，停止試驗并記錄循環(huán)工況測試總時長，按照第6.4條、

第6.2條和第6.3條進行燃料電池堆穩(wěn)態(tài)特性（極化曲線）、氣密性和絕緣電阻測試。

注：1.參考電流點在穩(wěn)態(tài)特性測試中所對應(yīng)的工況條件應(yīng)在上下各電流點的工況條件之間；

2.循環(huán)工況測試過程中不允許修改工況條件；

3.當(dāng)發(fā)生意外停機時，應(yīng)及時降低燃料電池堆電壓至各單電池電壓0.3V以下。

6.6試驗終止條件

當(dāng)出現(xiàn)下列任一情況時，應(yīng)停止測試：

——燃料電池堆在運行過程中最低單電池電壓低于0.3V（水淹情況除外，對于n片一采的電堆，則

為CVM最低值與n的比值小于0.3V）；

——燃料電池堆的氣密性無法滿足制造廠規(guī)定的安全限值；

——燃料電池堆的絕緣阻值結(jié)果小于100Ω/V；

——其他導(dǎo)致耐久性試驗無法進行的情況。

6.7數(shù)據(jù)處理

6.7.1參考電流下燃料電池堆的電壓衰減速率

6.7.1.1線性擬合法

根據(jù)所記錄的穩(wěn)態(tài)特性（極化曲線）測試中參考電流所對應(yīng)的平均單電池電壓，繪制“平均單電池

電壓（V）—運行時間（h）”圖，如圖5所示。對所測得的不同運行時長后的基準(zhǔn)電流中對應(yīng)的平均單

電池電壓進行線性擬合，如式（1），得到電壓衰減速率v。

Uvtb（1）

式中：

U——平均單電池電壓，單位為伏特（V）；

t——循環(huán)工況運行時長，單位為小時（h）；

——電壓衰減速率，單位為伏特每小時（V/h）；

b——擬合常數(shù)項。

）

V

U=vt+b

實測值

平均單電池電壓（擬合曲線

t

0end

循環(huán)工況運行時間（h）

圖5平均單電池電壓（V）-循環(huán)工況運行時間（h）圖

6.7.1.2首末作差法

電壓衰減速率計算公式如式（2）所示：

4

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UUendstart

vA=100%（2）

tend

式中：

總體電壓衰減速率，單位為（）；

vA——V/h

Uend——終止極化曲線測試中參考電流點對應(yīng)平均單電池電壓，單位為伏特（V）；

Ustart——初始極化曲線測試中參考電流點對應(yīng)平均單電池電壓，單位為伏特（V）；

tend——循環(huán)工況運行總時長，單位為小時（h）。

6.7.2參考電流下燃料電池堆的電壓衰減幅度

6.7.2.1線性擬合法

電壓衰減幅度應(yīng)根據(jù)式（3）計算：

vtend

ΔU=100%（3）

Ustart

式中：

ΔU——電壓衰減幅度；

Ustart——初始極化曲線測試中參考電流點對應(yīng)平均單電池電壓，單位為伏特（V）；

tend——循環(huán)工況運行總時長，單位為小時（h）。

6.7.2.2首末作差法

電壓衰減幅度計算公式如式（4）所示：

UUendstart

UA=100%（4）

Ustart

式中：

總體電壓衰減幅度；

ΔUA——

Uend——終止極化曲線測試中參考電流點對應(yīng)平均單電池電壓，單位為伏特（V）；

Ustart——初始極化曲線測試中參考電流點對應(yīng)平均單電池電壓，單位為伏特（V）。

6.7.3變異系數(shù)計算

變異系數(shù)計算公式如式（5）和式（6）所示：

U

CV=100%（5）

Umean

n

qqU

i2（6）

U=(Umean)

nqi=1

式中：

CU——變異系數(shù)；

U——單電池電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差，單位為伏特（V）；

Umean——燃料電池堆單電池電壓平均值，單位為伏特（V）；

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q——每個單電池電壓采集通道所包含的單電池數(shù)量；

n——燃料電池堆的單電池數(shù)量；

Ui——燃料電池堆在指定電流運行時第i個單電池電壓采集通道的數(shù)值，單位為伏特（V）。

6.7.4極差計算

極差計算公式如式（7）所示：

UR=(Umax-Umin)×1000（7）

式中：

UR——極差，單位為（mV）；

Umax——單電池電壓最大值，單位為伏特（V）;

Umin——單電池電壓最小值，單位為伏特（V）。

7試驗結(jié)果

燃料電池堆耐久性試驗結(jié)果按附錄D填寫。

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附錄A

（資料性附錄）

燃料電池堆樣品參數(shù)

表A.1樣品參數(shù)表

基本參數(shù)

序號項目參數(shù)單位

1額定功率kW

2額定電流A

3峰值功率kW

4峰值電流A

5長×寬×高mm

6單電池片數(shù)片

7活性面積cm2

8雙極板材質(zhì)/

氣密性參數(shù)

9陽極腔保壓允許壓降值@50kPakPa

10三腔保壓允許壓降值@最大允許工作壓力kPa

11陽極腔氣體的最大允許泄漏速率NCCM

12陽極腔向陰極腔的最大允許竄氣速率NCCM

陽極腔和陰極腔向冷卻液腔的最大允許竄氣速

13NCCM

率

14燃料電池堆的最大允許對外泄漏速率NCCM

試驗平臺連接參數(shù)

15氫氣出入口尺寸mm或inch

16氫氣路接口類型（螺紋/卡套/卡盤/寶塔接頭）/

17空氣出入口尺寸mm或inch

18空氣路接口類型（螺紋/卡套/卡盤/寶塔接頭）/

19冷卻液路出入口尺寸mm或inch

20冷卻液路接口類型（螺紋/卡套/卡盤/寶塔接頭）/

21封裝箱吹掃口尺寸（若有）mm或inch

22單電池電壓采集方式（接線/CAN通訊）/

試驗平臺設(shè)置參數(shù)

23氣體供給方式（流量/計量比）/

24最小計量比電流（應(yīng)≤0.15A/cm2對應(yīng)電流值）A

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表A.1（續(xù)）

序號項目參數(shù)單位

25氫氣排氣方式直排/

26陽極入口壓力（表壓，急停/報警）kPa

27陰極入口壓力（表壓，急停/報警）kPa

28冷卻路入口壓力（急停/報警）kPa

29陰陽極壓差（急停/報警）kPa

30陽極入口溫度（急停/報警）℃

31陰極入口溫度（急停/報警）℃

32冷卻路入口溫度（急停/報警）℃

33冷卻路出入溫差（急停/報警）℃

34單電池電壓（急停/報警）V

35其他保護值/

…

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附錄B

（資料性附錄）

燃料電池堆穩(wěn)態(tài)特性（極化曲線）測試

B.1穩(wěn)態(tài)特性（極化曲線）測試電流工況點及測試條件信息

流量入口壓力出口壓力入口溫度露點溫度

加

（NLPM）（kPa）（kPa）（℃）（℃）冷卻液出

載電流密度電壓時間

冷入口溫差

步（A/cm2）（V）（min）陽陰陽陰陽陰陽陰陽陰

卻（℃）

驟極極極極極極極極極極

液

1開路

20.1

30.2

40.3

50.4

60.5

70.6

80.7

90.8

100.9

111.0

······

···IS

···IE

······

···IM

注：當(dāng)對應(yīng)加載電流的平均單電池電壓值高于0.85V時，測試時間為每個工況點1min；其他工況點，測試時間為

每個工況點5min，IS表示參考電流，IE表示額定電流，IM表示峰值電流。

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附錄C

（規(guī)范性附錄）

燃料電池堆耐久性循環(huán)工況

燃料電池堆耐久性循環(huán)工況加載方法由以下階段組成（見圖C.1和表C.1）。

圖C.1燃料電池堆耐久性循環(huán)工況

C.1燃料電池堆耐久性循環(huán)工況

加載步驟加載電流（A）加載時間（s）

110%IE170

210%IE-30%IE2

330%IE137

430%IE-40%IE1

540%IE59

640%IE-50%IE1

750%IE59

850%IE-60%IE1

960%IE77

1060%IE-30%IE3

1130%IE40

1230%IE-50%IE2

1350%IE58

1450%IE-60%IE1

1560%IE87

1660%IE-30%IE3

1730%IE39

1830%IE-60%IE3

1960%IE67

10

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（續(xù)上表）

2060%IE-30%IE3

2130%IE154

2230%IE-80%IE5

2380%IE78

2480%IE-60%IE2

2560%IE108

2660%IE-80%IE2

2780%IE124

2880%IE-30%IE5

2930%IE37

3030%IE-60%IE3

3160%IE56

3260%IE-90%IE3

3390%IE129

3490%IE-100%IE1

35100%IE251

36100%IE-10%IE9

3710%IE20

C.2燃料電池堆耐久性循環(huán)工況參數(shù)響應(yīng)速率要求

由試驗平臺提供的測試參數(shù)響應(yīng)速率應(yīng)滿足以下要求：

——壓力響應(yīng)速率不低于3kPa/s；

——溫度響應(yīng)速率不低于3℃/min；

——流量響應(yīng)速率不低于1000NLPM/s；

——電流響應(yīng)速率不低于100A/s。

C.3燃料電池堆耐久性循環(huán)工況參數(shù)公差要求

C.3.1循環(huán)工況壓力公差要求

1

）

kPa

壓力（

2

時間（s）

說明：

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1——循環(huán)工況規(guī)定的壓力曲線；

2——壓力公差，單位為千帕（kPa）。

圖C.2壓力規(guī)定曲線和公差

關(guān)于燃料電池堆氣體實際壓力和循環(huán)工況規(guī)定壓力之間的允許公差規(guī)定為：

——當(dāng)循環(huán)工況規(guī)定的壓力設(shè)定值PSET≤100kPa時，壓力公差為±2kPa；

——當(dāng)循環(huán)工況規(guī)定的壓力設(shè)定值PSET＞100kPa時，壓力公差為±3kPa;

——在每個試驗循環(huán)中，允許超出公差范圍的累計時間不超過180s。

C.3.2循環(huán)工況溫度公差要求

1

）

℃

溫度（

2

時間（s）

說明：

1——循環(huán)工況規(guī)定的溫度曲線；

2——溫度公差，單位為攝氏度（℃）。

圖C.3溫度規(guī)定曲線和公差

關(guān)于燃料電池堆氣體實際溫度和循環(huán)工況規(guī)定溫度之間的允許公差規(guī)定為：±5℃，在每個試驗循

環(huán)中，允許超出公差范圍的累計時間不超過180s。

C.3.3循環(huán)工況流量公差要求

1

）

NLPM

流量（

2

時間（s）

說明：

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1——循環(huán)工況規(guī)定的流量曲線；

2——流量公差，單位為標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘（NLPM）。

圖C.4流量規(guī)定曲線和公差

關(guān)于燃料電池堆氣體實際流量和循環(huán)工況規(guī)定流量之間的允許公差規(guī)定為：±2%流量設(shè)定值，在

每個試驗循環(huán)中，允許超出公差范圍的累計時間不超過180s。

C.3.4循環(huán)工況電流公差要求

1

）

A

電流（

2

時間（s）

說明：

1——循環(huán)工況規(guī)定的電流曲線；

2——電流公差，單位為安（A）。

圖C.5電流規(guī)定曲線和公差

關(guān)于燃料電池堆電流和循環(huán)工況規(guī)定電流之間的允許公差規(guī)定為：±1A，在每個試驗循環(huán)中，允

許超出公差范圍的累計時間不超過60s。

C.4燃料電池堆耐久性循環(huán)工況加減載速率要求

燃料電池堆在耐久性循環(huán)工況中的加減載速率應(yīng)不小于10%IE/s。

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附錄D

（資料性附錄）

燃料電池堆耐久性試驗結(jié)果

絕緣電阻、氣密性、極化曲線測試結(jié)果應(yīng)按表D.1、表D.2、表D.3、表D.4進行記錄。

表D.1第（____）h后絕緣電阻測試結(jié)果

序號一級條目二級條目參數(shù)單位

1絕緣電阻測絕緣電阻值，正對地kΩ/V

2試絕緣電阻值，負對地kΩ/V

表D.2第（____）h后氣密性測試結(jié)果

序號一級條目二級條目參數(shù)單位

1三腔保壓，壓降值kPa

2陽極腔向陰極腔的竄氣速率NCCM

3氣密性測試陽極腔和陰極腔向冷卻液腔的竄氣速率NCCM

4陽極腔泄漏速率NCCM

5燃料電池堆對外泄漏速率NCCM

表D.3第（____）h后極化曲線測試結(jié)果

電流密度電堆電流平均單電池電壓電堆電壓功率

序號

（A/cm2）（A）（V）（V）（kW）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

…

…

…

…

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表D.4基準(zhǔn)電流點測試結(jié)果

平均單電單電池電壓單電池電壓

時間電堆電壓功率極差變異系數(shù)

池電壓最小值最大值

（h）（V）（kW）（mV）（%）

（V）（V）（V）

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

…

…

…

…

15

ICSXXX

CCSTXX

團體標(biāo)準(zhǔn)

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燃料電池電動汽車燃料電池堆耐久性試驗

D