《燃料電池電動(dòng)汽車 燃料電池堆臺架試驗(yàn)方法》編制說明

《燃料電池電動(dòng)汽車燃料電池堆臺架試驗(yàn)方法》編制說

明

一、工作簡況

1.1任務(wù)來源

《燃料電池電動(dòng)汽車燃料電池堆臺架試驗(yàn)方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)是由中國汽車工程學(xué)

會批準(zhǔn)立項(xiàng)，項(xiàng)目任務(wù)編號為：2022-62。本標(biāo)準(zhǔn)由中國汽車工程學(xué)會汽車測試技術(shù)

分會提出，中汽研新能源汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司起草。

1.2編制背景與目標(biāo)

隨著近年來國內(nèi)外燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，眾多燃料電池堆產(chǎn)品相繼面世。

由于目前國內(nèi)外缺少統(tǒng)一的性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法，導(dǎo)致在各大研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)

的宣傳資料中，燃料電堆的額定功率、峰值功率、體積功率密度、氣密性、環(huán)境安

全性、低溫冷起動(dòng)性能等燃料電池堆的關(guān)鍵性能參數(shù)一次次的突破記錄。不同的試

驗(yàn)方案及定義導(dǎo)致對于燃料電池堆關(guān)鍵性能缺乏橫向?qū)Ρ鹊幕A(chǔ)；評價(jià)方法的不同

也無法使行業(yè)內(nèi)有足夠的技術(shù)定位，不利于燃料電池堆的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化。

本標(biāo)準(zhǔn)旨在提出燃料電池電動(dòng)汽車用燃料電池堆的關(guān)鍵性能試驗(yàn)方法，以期給

出統(tǒng)一的性能測試的方法，統(tǒng)一性能測試的度量標(biāo)準(zhǔn)，按照統(tǒng)一的方法來測評電堆

的關(guān)鍵性能，結(jié)束之前因缺乏標(biāo)準(zhǔn)而出現(xiàn)各自為戰(zhàn)，評價(jià)不一的局面，為鑒別市場

上電堆產(chǎn)品的優(yōu)劣提供可靠依據(jù)。

當(dāng)前，對于燃料電池堆的關(guān)鍵性能測試，主要集中于極化曲線測試、額定功率

測試、體積功率密度等，其中對于燃料電池堆提及的測試方法缺少行業(yè)內(nèi)的共識，

造成了同樣的技術(shù)指標(biāo)得出的最終結(jié)果并無可比性。由于體積定義差別較大，對燃

料電池堆的功率密度的評價(jià)分為四個(gè)層級：活性面積層、電池組層、端板層和外殼

層。此外，缺乏完整的性能、氣電安全性、環(huán)境適應(yīng)性及低溫特性的綜合評價(jià)測試

標(biāo)準(zhǔn)，無法全方位綜合的評判燃料電池堆產(chǎn)品的性能優(yōu)劣。

GB/TGB/T31035-2014GB/TGB/T

20042.2-2023質(zhì)子交換膜燃33798-201729838-2013

質(zhì)子交換膜料電池電堆低溫道路車輛用燃料電池

燃料電池第特性試驗(yàn)方法質(zhì)子交換膜模塊

2部分：電池燃料電池模

堆通用技術(shù)條塊

1

件

體積質(zhì)量測試√×××

極化曲線測試√×××

額定功率測試√×√×

峰值功率測試√×√×

氣密性測試√√√√

高低溫氣密性××××

絕緣電阻測試√×√√

環(huán)境適應(yīng)性測試×√√×

低溫冷起動(dòng)測試×√××

功率密度測試√×××

振動(dòng)××√√

沖擊×××√

當(dāng)前國內(nèi)對燃料電池堆的性能測試主要參考上表中四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，但其中多項(xiàng)關(guān)鍵

性能指標(biāo)的定義及測試方法并無涉及，且部分指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)間的定義不同。尚無完整的

覆蓋所有關(guān)鍵性能指標(biāo)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

目前國外尚無可供參考的完整的覆蓋所有關(guān)鍵性能測試項(xiàng)目的測試標(biāo)準(zhǔn)。

1.3主要工作過程

本標(biāo)準(zhǔn)于2020年12月開始標(biāo)準(zhǔn)調(diào)研，2021年3月至2023年7月進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)

相關(guān)的試驗(yàn)操作工作；2022年6月24日正式立項(xiàng)；2022年7月至11月進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)

編寫工作。

2022年6月在天津召開了標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)審查會，會議上由中汽研新能源汽車檢驗(yàn)中

心（天津）有限公司對本標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)背景、內(nèi)容、編制說明等進(jìn)行了簡要介紹。

2022年11月10日在天津召開了標(biāo)準(zhǔn)討論會，會議上中汽研新能源汽車檢驗(yàn)中

心（天津）有限公司對標(biāo)準(zhǔn)的測試方法及標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容框架進(jìn)行了介紹，中國第一汽車

股份有限公司、北京氫璞創(chuàng)能科技有限公司等針對標(biāo)準(zhǔn)的測試方法進(jìn)行了討論。經(jīng)

過此次會議，初步確定了極化曲線測試時(shí)長，電堆體積測試方法、氣密性試驗(yàn)壓力、

絕緣電阻冷卻液電導(dǎo)率要求等，為下一步工作奠定了基礎(chǔ)。

2023年4月11日在天津召開了第二次標(biāo)準(zhǔn)討論會，針對這一階段的試驗(yàn)驗(yàn)證

成果進(jìn)行了討論，中汽研新能源汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司、中國第一汽車股

份有限公司、北京氫璞創(chuàng)能科技有限公司等對標(biāo)準(zhǔn)的測試細(xì)節(jié)及試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行

了充分的討論和交流，初步完成了標(biāo)準(zhǔn)草案的制定。

二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則和主要內(nèi)容

2.1標(biāo)準(zhǔn)制定原則

2

在充分總結(jié)和比較了國內(nèi)外對于燃料電池堆臺架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，參考了

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/T31035-2014

《質(zhì)子交換膜燃料電池電堆低溫特性試驗(yàn)方法》、GB/T33798-2017《道路車輛用

質(zhì)子交換膜燃料電池模塊》、GB/T29838-2013《燃料電池模塊》標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)內(nèi)容

的編寫。本標(biāo)準(zhǔn)對測試時(shí)間、絕緣電阻測試中冷卻液狀態(tài)、高低溫氣密性試驗(yàn)要求、

冷起動(dòng)氣體預(yù)冷溫度等方面做出了較詳細(xì)的規(guī)定，并通過對不同類型燃料電池堆的

多次試驗(yàn)對標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整及驗(yàn)證，以確保測試的準(zhǔn)確性及不同燃料電池堆

測試條件的一致性。

2.1.1通用性原則

本標(biāo)準(zhǔn)提出的燃料電池堆臺架試驗(yàn)方法適用于任何車用質(zhì)子交換膜燃料電池堆，

對不同功率等級具有同等適用性，通用性高。

2.1.2指導(dǎo)性原則

本標(biāo)準(zhǔn)提出的方法能為車用燃料電池堆的氣密性、絕緣電阻、極化曲線、額定

功率、體積功率密度等測試提供指導(dǎo)作用。目前使用的GB/T31035-2014《質(zhì)子交

換膜燃料電池電堆低溫特性試驗(yàn)方法》中對燃料電池堆的在低溫冷起動(dòng)中的預(yù)冷溫

度沒有做要求，本標(biāo)準(zhǔn)的提出可以填補(bǔ)該項(xiàng)測試的空白。

2.1.3協(xié)調(diào)性原則

本標(biāo)準(zhǔn)提出的方法與目前使用的國家標(biāo)準(zhǔn)中的方法協(xié)調(diào)統(tǒng)一、互不交叉。僅作

為一種標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充。

2.1.4兼容性原則

本標(biāo)準(zhǔn)提出的試驗(yàn)方法充分考慮了燃料電池堆的實(shí)際使用工況及安全要求，具

有普遍適用性。

2.2標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)內(nèi)容

本標(biāo)準(zhǔn)共分為6章，規(guī)定了燃料電池電動(dòng)汽車燃料電池堆臺架試驗(yàn)的方法和要

求。內(nèi)容包括范圍、通用性要求、術(shù)語及定義、測量參數(shù)、單位及準(zhǔn)確度、試驗(yàn)條

件及試驗(yàn)要求、試驗(yàn)方法。

2.3關(guān)鍵技術(shù)問題說明

本標(biāo)準(zhǔn)提出的高低溫工況下的氣密性測試，氫氣的密度很小，且燃料電池堆中

含有大量的密封部件，高低溫情況下密封部件的形變和膜電極的透氣率對于燃料電

池堆的氣密性影響較大，由于氫氣的密度很小，特別在低溫情況下電堆的密封材料

3

形變，容易發(fā)生氫氣的大規(guī)模泄漏。為測量在高低溫環(huán)境下的電堆氣密性，對電堆

在高低溫環(huán)境下的存儲時(shí)間做出規(guī)定，另一方面考慮到低溫狀況下需要對電堆進(jìn)行

低溫冷起動(dòng)時(shí)初始工作壓力不同，因此對電堆在低溫環(huán)境下的試驗(yàn)溫度和試驗(yàn)壓力

做出要求。

本標(biāo)準(zhǔn)提出的低溫冷起動(dòng)試驗(yàn)是模擬燃料電池堆在實(shí)車狀態(tài)下的低溫冷起動(dòng)工

況，考慮到在實(shí)車運(yùn)行時(shí)，車上所供應(yīng)的氫氣與環(huán)境溫度基本一致，空氣溫度由于

車上空壓機(jī)壓縮后進(jìn)入電堆的溫度上升，因此根據(jù)探究試驗(yàn)，對低溫冷起動(dòng)時(shí)的氣

體預(yù)冷溫度做出要求；另一方面對冷卻液大小循環(huán)的切換作出規(guī)定。

2.4標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的論據(jù)

氫氣無色無味，易燃易爆，且是世界上已知的密度最小的氣體。由于氫氣易燃，

對于在常規(guī)狀態(tài)下及高低溫狀態(tài)下的氣密性有著很高的要求，燃料電池堆中含有大

量的密封部件，高低溫情況下密封部件的形變和膜電極的透氣率對于燃料電池堆的

氣密性影響較大，由于氫氣的密度很小，特別在低溫情況下電堆的密封材料形變，

容易發(fā)生氫氣的大規(guī)模泄漏。

燃料電池堆在高濕環(huán)境中容易出現(xiàn)絕緣問題，因此提出在較高濕度下且?guī)в欣?/p>

卻液進(jìn)行絕緣電阻測試。

表1空壓機(jī)低溫運(yùn)行時(shí)溫升試驗(yàn)表

各轉(zhuǎn)速下出口平均溫

空壓機(jī)狀態(tài)環(huán)境溫度（℃）溫升（℃）

升（℃）

-40114.4

-30112.3

高速112.1

-15110.3

0111.2

-4050.5

-3049.7

中速50.2

-1548.5

051.9

-4013.9

-3012.3

低速13.1

-1511.2

014.8

4

在實(shí)車運(yùn)行時(shí)電堆的低溫冷起動(dòng)的氫氣氣體溫度與環(huán)境溫度高度吻合，而空氣

端由于空壓機(jī)工作具有一定的溫升作用，通過模擬空壓機(jī)的低溫工作情況為電堆冷

起動(dòng)時(shí)空氣端的遇冷溫度做出指導(dǎo)，且起動(dòng)過程中存在冷卻液的大小循環(huán)的切換過

程，同樣在標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行開啟大小循環(huán)切換的流程。

2.5標(biāo)準(zhǔn)工作基礎(chǔ)

編寫組主要起草單位中汽研新能源汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司具備完整的

新能源汽車檢測能力。在燃料電池相關(guān)汽車、零部件以及材料級的部件測試方面積

累了大量的經(jīng)驗(yàn)和測試數(shù)據(jù)。自項(xiàng)目開展以來，中汽研新能源汽車檢驗(yàn)中心（天津）

有限公司在相關(guān)研究上投入了大量的精力，相繼對國內(nèi)外多款不同材質(zhì)、不同功率

等級燃料電池堆進(jìn)行了測試，大量的對比試驗(yàn)結(jié)果顯示，本標(biāo)準(zhǔn)提出的燃料電池電

堆在臺架試驗(yàn)方法具有一定的先進(jìn)性、通用性、科學(xué)性和可操作性。

三、主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）情況分析

1)通過對電堆在不同溫度下進(jìn)行氣密性測試，在高溫下電堆的內(nèi)漏較常溫更高，

在低溫環(huán)境中電堆的整體外漏情況相比常溫情況更差。

2)低溫氣密性測試時(shí)對電堆進(jìn)行不低于12小時(shí)的浸機(jī)，保證電堆內(nèi)部溫度與

環(huán)境溫度一致，還原工作場景。

3)將冷卻液的電導(dǎo)率及溫度以及環(huán)境的溫濕度繼續(xù)記錄。

綜上所述，本標(biāo)準(zhǔn)提出的方法對當(dāng)前燃料電池堆檢測具有良好的適用性。

四、標(biāo)準(zhǔn)中涉及專利的情況

尚無。

五、預(yù)期達(dá)到的社會效益、對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用的情況

燃料電池汽車技術(shù)的快速發(fā)展使得燃料電池堆產(chǎn)品開始進(jìn)入產(chǎn)品化階段。國外

已有豐田、EK等電堆產(chǎn)品，國內(nèi)北京氫璞、上海神力等也都推出了自己的電堆產(chǎn)品，

產(chǎn)品的快速發(fā)展推動(dòng)了標(biāo)準(zhǔn)需求。但是對于燃料電池電動(dòng)汽車用燃料電池堆的關(guān)鍵

性能試驗(yàn)方法，并未給出統(tǒng)一的性能測試的方法，統(tǒng)一性能測試的度量標(biāo)準(zhǔn)，按照

統(tǒng)一的方法來測評電堆的關(guān)鍵性能，本標(biāo)準(zhǔn)的提出結(jié)束之前因缺乏標(biāo)準(zhǔn)而出現(xiàn)各自

為戰(zhàn)，評價(jià)不一的局面，為鑒別市場上電堆產(chǎn)品的優(yōu)劣提供可靠依據(jù)。服務(wù)燃料電

池汽車行業(yè)的健康發(fā)展。

六、采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)情況，與國際、國外同類標(biāo)準(zhǔn)水平的對比情況，國內(nèi)外關(guān)鍵

指標(biāo)對比分析或與測試的國外樣品、樣機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)對比情況

5

6.1采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)情況

燃料電池電動(dòng)汽車用燃料電池堆性能試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要集中在氣密性、功率等

常見項(xiàng)目，且對于關(guān)鍵參數(shù)定義不清，對關(guān)鍵性能指標(biāo)的要求不一致。本標(biāo)準(zhǔn)的提

出可豐富燃料電池電動(dòng)汽車測試標(biāo)準(zhǔn)體系，填補(bǔ)國內(nèi)在燃料電池堆性能測試方面的

標(biāo)準(zhǔn)空白。目前國外尚無可供參考的完整的覆蓋所有關(guān)鍵性能測試項(xiàng)目的測試標(biāo)準(zhǔn)。

6.2測試電堆相關(guān)數(shù)據(jù)對比情況

6.2.1燃料電池堆體積功率測試情況對比

分別對A、B、C、D、E、F六款電堆進(jìn)行了體積功率密度測試，情況如下所示。

表1燃料電池堆體積功率密度測試情況

電堆編號體積功率密度（kW/L）

A3.6

B2.8

C3.6

D2.5

E3.2

F4.0

6.2.2燃料電池堆額定功率效率測試情況對比

分別對A、B、C、D、E、F六款電堆進(jìn)行了額定功率效率測試，情況如下所示。

表2燃料電池堆額定功率點(diǎn)效率測試情況

電堆編號電壓效率（%）效率（%）

A44.5029.66

B48.6032.36

C46.6530.27

D44.2329.54

E50.1433.35

F43.5429.99

七、在標(biāo)準(zhǔn)體系中的位置，與現(xiàn)行相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)章及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，特