ChinaAutoRegs|GB/T 28817-2022 英文版翻译 聚合物电解质燃料电池单电池测试方法
Single cell test methods for polymer electrolyte fuel cell (PEFC)
1范围
本文件规定了聚合物电解质燃料电池单电池的组装、试验装置、测量仪器和测量方法、性能试验方法以及试验报告.
注：本文件中规定的聚合物电解质燃料电池单电池燃料为气态氢.
本文件适用于以下三项的评估：
a) 聚合物电解质燃料电池膜电极组件的性能；
b) 聚合物电解质燃料电池其他组件的材料或结构；
c) 燃料和空气中杂质对电池性能的影响。
注：本文件仅适用于质子交换膜燃料电池，其他聚合物电解质燃料电池可参考本文件的测试内容.
2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文 件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于 本文件。
ISO/TS 14687-2氢燃料产品规范第2部分:道路车辆用质子交换膜（PEM)燃料电池的应用 [Hydrogen fuel—Product specification一Part 2： Proton exchange membrane (PEM) fuel cell applica¬tions for road vehicles]
3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件.
3.1
阳极 anode
燃料(3.11)发生氧化反应的电极(3.8).
3.2
催化剂catalyst
能加速(增加速率)反应而自身不被消耗的物质.
注：催化剂降低反应的活化能，使得反应速率增加.
3.3
催化袖涂层膜 catalyst-coated membrane;CCM
[在聚合物电解质燃料电池（3.24)中]表面涂有催化层（3.4),构成电极（3.8)的反应区域的膜。
注：另见膜电极组件（MEA)(3.19>.
3.4
催化层 catalyst layer
与膜的两侧相邻的含有催化剂（3.2)的多孔区域，通常具有离子和电子传导性。
注：催化层包括可能发生电化学反应的空间区域.
3.5
阴极 cathode
氧化剂（3.22)发生还原反应的电极（3.8),
3.6
夹持端板 clamping plate 端板 pressure plate
用于将电池各部分压紧在一起，以保持导电性和密封性。
3.7
电流集流体 current collector
燃料电池(3.12)中从阳极(3.1)端收集电子或向阴极(3.5)端传递电子的导电部件。
3.8
电极 electrode
用于将电化学反应产生的电流导入或导出电化学电池的电子导体(或半导体）。
注：电极可以是阳极(3.1)或阴极（3.5).
[来源：GB/T 28816—2020,3.33]
3.9
电解质 electrolyte
含有移动离子因而具有离子导电性的液态或固态物质。
注：电解质是不同燃料电池技术（如某种液体、聚合物、熔融盐、固体氧化物）的主要区分特征，它决定了有效操作湿 度范围.
[来源：IEC 60050~482:2004,482-02-29,有修改–修改注释]
3.10
流场板 flow plate
由金属、石墨材料或者导电聚合物（可能是碳填充的复合材料)构成的导电平板，它的表面有流道供 燃料(3.11)或者氧化剂(3.22)气体供给，并与电极(3.8)有直接的电接触。
3J1
燃料fuel
氢气或者含有氢气的气体，在阳极(3.1)发生反应。
3.12
燃料电池 fuel cell
将燃料(3.11)和氧化剂(3.22>的化学能转换为电能（直流电），并产生热和反应产物的电化学装置A 注：燃料和氧化剂通常储存在燃料电池外，当它们被消耗时输人到燃料电池中.
[来源：GB/T 28816—2020,3.43]
3.13
气体扩敗电极 gas diffusion electrode;GDE
位于阳极（3.1)或阴极（3.5)侧，包含电极（3.8)的全部电子导电部分[气体扩散层（3.14)和催化层 (3.4)]的部件。
3.14
气体扩散层 gas diffusion 丨ayer;GDL
放置在催化层(3.4)和流场板(3.10)之间形成电接触的多孔基层，该层允许反应物进人催化层和反 应产物的排出。
注：气体扩散层也称为多孔传输层（PTL).
[来源:GB/T 28816—2020,3.57,有修改——“流场板”取代“双极板”，删除部分注释]
3.15
密封件gasket
阻止反应气体泄漏的密封部件。
3.16
内电阻 internal resistance
燃料电池(3.12)内部的欧姆电阻，在电流集流体（3.7)之间测M，由不同组件[电极（3.8)、电解质 (3.9)、流场板(3.10)和电流集流体]的电子和离子电阻引起.
注：欧姆意指电压降和电流之间的关系K从欧姆定律.
[来源：GB/T 28816—2020,3.66,有修改——“流场板”取代“双极板”]
3.17
极限电流密度 limiting current density
在给定的测试条件下，电池的电压急剧下降至接近零时的最大电流密度。
3.18
最大许可电流密度 maximum current density
制造商规定的允许短时间运行的最高电流密度。
3.19
膜电极组件 membrane electrode assembly; ME A
聚合物电解质燃料电池(3.24)类燃料电池（3.12)的组成部分，由电解质膜和分别置于两侧的气体 扩散电极(3.13)组成的组件，或者由催化剂涂层膜(3.3)和气体扩散层组成的组件。
注：膜电极组件简称膜电极，
3.20
最低电池电压 minimum ce丨丨voltage
制造商规定的可运行最低电池电压，
3.21
开路电压 open circuit vo丨tage;OCV
燃料电池(3.12)有燃料(3.11)和氧化剂(3.22)但没有外部电流流动时的端电压。
注1:开路电压单位为伏（V).
注2:也称为空载电压，
[来源：GB/T 28816—2020,3.117.2]
3.22
氧化剂 oxidant
氧气或者含有氧气的气体(如空气），在阴极(3.5)发生反应。
3.23
聚合物电解质 polymer electrolyte
(含有可移动离子)具有离子导电性的聚合物材料.
3.24
聚合物电解质燃料电池po丨ymer e丨ectrolyte fuel cell;PEFC
使用具有离子交换能力的聚合物作为电解质(3.9)的燃料电池(3.12)，
注：聚合物电解质燃料电池也被称为质子交换膜燃料电池（PEMFC)和固体聚合物燃料电池(SPFC).
[来源：GB/T 28816—2020,3.43.7]
3.25
功率 power
单位时间内输出的电能。
3.26
功率密度 power density
功率除以电极的几何面积得到的单位面积的功率.
注：功串密度单位为瓦每平方厘米(W/cm”.
3.27
额定电流密度 rated current density
由制造商规定的膜电极组件(3.19)或单电池(3.29)持续工作时的最大电流密度。
3.28
額定电压 rated voltage
由制造商规定的膜电极组件（3.19)或单电池(3.29)持续工作时的最小电池电压.
3.29
单电池 single cell
由一个阳极流场板(3.10)、一个膜电极组件（3.19)、一个阴极流场板（3.10)和密封件（3.15)组成的 电池。
注：见附录B附件信息.
3.30
单电池试验 single cell test
基于一个单电池(3.29)的燃料电池(3.12)性能的试验
[来源：GB/T 28816—2020,3.112.5]
3.31
化学计置比 stoichiometry
供应给燃料电池的燃料（3.11)或氧化剂（3.22)气体流量与根据电流计算的化学反应需要量的 比率。
注：化学计S比是GB/T 28816—2020中规定的燃料（或氧化剂〉利用率的反比值。
4通用安全要求
通常情况下，运行中的燃料电池使用氧化性和还原性气体,这些气体储存在髙压容器中.燃料电池 自身可以在加压或常压下运行.
进行单电池试验的人员应进行操作培训，并有操作单电池试验系统的经验，并应熟知安全操作规程 (包括电器设备操作、化学反应、压缩气体）。安全操作一台单电池测试平台需要适当的技术培训、经验 以及安全设施和设备，上述内容不在本文件的范围内.
5 电池组成
5.1概述
通常包含以下组件：
a) —片膜电极组件；
b) 密封件；
c) —块阳极侧的流场板和一块阴极侧的流场板；
d) —块阳极侧的电流集流体和一块阴极侧的电流集流体;
e) —块阳极侧的夹持端板和一块阴极侧的夹持端板；
D 电绝缘薄片I
g) 紧固件，可能包括螺栓、弹簧和垫圈等；
h) 温度控制装置.
5.2膜电极组件（MEA)
电极面积应足够大以满足参数测量要求。虽然采用电极面积较大的燃料电池可能会得到与实际应 用更相关的数据，但仍建议电极面积在25 cm2左右.电极的活性面积应当说明。在电极面积测量方面 的近似不确定度也应说明。
注：较大的活性面积下的溫度.流M及/或压力等参数中的异质性能够变得非常显著.
5.3密封件
密封件材料应当与电池反应气体、各组件和反应产物以及运行温度相匹配，应能阻止气体的泄漏。 5.4流场板
流场板应由几乎无气体渗透性、髙导电性的材料制成，宜使用树脂浸渍、高密度合成石墨、聚合物/ 碳复合材料或者耐腐蚀的金属材料.如钛或不锈钢。如果使用金属材料，其表面应有涂层或镀层（如涂/ 镀金层）以减少接触电阻。流场板应当抗腐蚀，有合适的密封。
建议使用蛇形流场，设计建议的详细信息见附录A。流场的结构应在试验报告中给出。
用于试验的流场板应进行电池运行温度的精确测置.例如，流场板的一个侧面的边缘可能会有一 个用于安置温度传感器的孔，此时孔的深度应能达到流场板的中心.
如果试验的目的是评价某种特定的流道布局，则不必使用建议的流场板布局。
5.5电流集流体
电流集流体应由具有高电导率的材料（如金属）制成.金属电流集流体可以在表面涂覆/镀上降低 接触电阻的材料，如金或银；但要注意选择涂层材料，该涂层材料应与电池的组件、反应气体和产物 相容。
电流集流体应有足够的厚度以减小电压降，同时应有用于导线连接的输出端。
如果金属流场板同时是电流集流体，则不再需要单独的电流集流体。
5.6夹持端板（端板）
夹持端板（端板)应为平板且表面光滑，应具有足够的机械强度以承受螺栓紧同时产生的弯曲压力. 如果夹持端板具有导电性，应将其与电流集流体隔绝以防止发生短路。
5.7紧固件
紧闶件应具有高的机械强度，以承受电池组装和运行时产生的压力.可以使用垫片和弹簧保持作 用在单电池上的压力恒定均匀.应使用经过校准的扭力扳手或其他测量仪器确定电池上的精确压力.
每次试验前后都要对夹紧压力进行测试和记录。单电池变形童不宜大于10%。如可能，夹紧压力 (量值、分布)应连续控制。
注：变形a为单电池在几何方向上的尺寸变化_
建议使用电绝缘的紧固件.
5.8温控装置
为了使单电池保持恒温且沿流场板和通过电池方向温度分布均匀，应提供温控装置(加热或冷却）， 温控装置的设计可遵循一定的温度曲线图。温控装置应能防止过热。
可以有多种方式来达到以上要求.
一种简单的方式是对流冷却和电加热夹持端板(端板）。而这种加热可以通过在极板外表面连接一 个表面电阻加热器来达到。另外一种替代方式是在极板上打孔，插入一个筒形加热器。
在上述情况下，应注意保持电绝缘.
6 电池组装 6.1装配程序
电池组装程序对电池数据的可重复性有很大的影响.下列组装操作中的一些特定过程应以文件记 录下来.
a) CCM放g定位，包括阳极側和阴极侧确认.
b) 气体扩散层放置定位，包括阳极和阴极用气体扩散层确认，也包括气体扩散层面向质子交换膜 和流场确认。
c) 密封件/密封的安装。
d) 固定装置或装配夹具的定位(如有）。
e) 加压规程，例如，扩散介质压缩值、螺栓紧固次序、压缩弹簧以及最终的扭矩规定.
压力可以通过压敏纸或膜来核査，
典型的电池部件定位见附录B。
装配后，应检査夹持端板和电流集流体之间的绝缘性。
6.2电池方位和气体连接
电池工作时应处于适当的方位以利于产物水的排出。电池方位应记录下来。
6.3气密性检査
电池的外部和内部泄漏应极少.气密性检査规程举例见附录C.原则上，气密性检査程序包括在 阳极和阴极侧注入一种惰性气体或检测气体，利用合适的压差，就可确定漏气的性质和方向。检测后， 应记录最大压差、检测气体性质、馘气速率。如果发现漏气，应进行其他的测试，如鼓泡试验，来进一步 描述漏气的类型和性质。
隔膜两侧的压差是非常关键的，不应超过制造商规定的最大压差。
7测试平台 7.1必要设备
单电池试验需要一个燃料电池测试平台，设备至少能满足以下单电池试验过程的试验参数。
a) 反应气体流馕的调节——测量和控制燃料电池在所要求的化学计量比下的燃料和氧化剂气体 的流量。
b) 反应气体湿度的控制——在气体输送给燃料电池前增湿反应气体到所需的露点•推荐增湿 水的电阻率至少为0.1 Mfl • cm(或者电导率最大为1〇4 S/m) •增湿器与电池之间的气体传 输管线应有加热，温度至少保持在餺点温度5 X：以上，以使冷凝最小•这段管线应隔热，使得 热损失最小化。部分膜电极组件不需要增湿。
c) 反应气体压力的控制——调节燃料电池内反应气体压力.
d) 负栽控制——加载以从电池得到规定的电流。负载控制应既能以恒电流模式又能以恒压模
式运行.
e) 电池加热或冷却的控制一加热或冷却单电池达到所需运行温度。
f) 电池电压监控和数据采集——设备在试验过程中测》和记录电池电压.
g) 測试台控制——测试台应能够控制以上参数.
W建议测试较大活性面积电池单元时使用具有自动关停安全功能的平台，并由测试系统识别危 险的工作状态，并通过关闭来做出响应，以防止对燃料电池的任何损害和/或终止任何潜在的 不安全情况。
7.2示意图
图1为控制燃料电池试验的测试平台所需的主要子系统框架示意图.
图1单电池试验的测试平台示意图
与增湿气体或增湿器中的水所接触的所有组件的材料应和气体或水相容，以防止材料中的杂质被 萃取出来.这些材料有不锈钢和氟塑料等.
为防止不锈钢在高温纯水中浸出金属阳离子，如果不经常使用，则需要定期排干增湿器.
在杂质气体试验情况下，气体增湿系统的设计应避免试验气体杂质在进人电池之前被淸除掉。
注：杂质参照ISO/TS 14687-2_
若不进行杂质气体试验，鼓泡增湿器可以用来为燃料增湿。
若能满足本文件规定的功能要求，配置可以改变.
7.3测试台控制允许的最大误差（输入试验）
燃料电池测试台控制允许的最大误差值为：
a) 电流控制为预设值土
b) 电压控制为预设值士
c) 电池温度控制为预设值(稳态数值）土 1
d) 增湿露点控制为预设值(稳态数值)士2 TC;
e) 流量控制为预设值士 5%:
D压力控制为预设值士 3%。
8测置 8.1仪器精度
测试中（试验输出〉测量值的最大不确定值应为：
a) 电流最大预期值的士 1%;
b) 电压最大预期值的士 0.5%»
c) 温度士 IX：;
d) 露点士2 1C ;
e) 流景最大预期值的士
f) 压力摄大预期值的土 3%。
注：低电流、电压和流fi时，测量值的不确定度会非常大*
8.2瀏置仪器和测置方法 8.2.1概述
应按照测t值范围选择测量仪器•测量仪器应定期校准，以保持8.1中所描述的精度水平。所有 的测*设备应根据制造商的说明或相关的国家或国际标准进行校准.
8.2.2 电压
电压表应和阳极与阴极的流场板或电流集流体相连，使接触电阻最小.如果电压表和阳极、阴极流 场板之间，或/和阳极、阴极电流集流体输出末端问的接触电阻不可忽略，则应测量并记录该接触电阻。
8.2.3 电流
电流测最装置应连接在电池传输电流的回路上，电流测量装置可以是低阻抗的电流表i或者校准 过的分流电阻器，其电压与流过的电流成正比.电流也可以通过电子负载来测量。
8.2.4内阻
推荐的内阻测量方法为电流中断法(见11.6.2.1)和电化学阻抗谱(EIS)法(见11.7.5).也可以用固 定频率（通常为1 kHz)的交流阻抗法（见11.6.2.2)，如交流奄欧姆表.在选择频率时应注意确保阻抗不 包含虚数分fi，并应记录毫欧姆表频率值.
为避免干扰，在使用中应注意与负载并行的外部交流信号.
这些测最设备的正、负端应分别和阴极、阳极的电流集流体输出末端相连。
8.2.5燃料和氧化剂流量
燃料和氧化剂的流景应采用体积流量计、质最流最计或涡轮型流量计来测量•如果以上方法不适 用的话，可以使用喷嘴流置计、小孔流坫计或文丘里流量计.流量计的位置应在增湿器上游。
如果流ft计需要压力补偿，应用紧靠流量计的上游的一个静压测量进行校正.
8.2.6燃料和氧化剂温度
推荐使用热电偶、带传感器或热敏电阻的电阻温度计作为直接温度测童的传感器。
温度传感器应安置在紧靠单电池的上游。建议另一传感器安置于紧靠单电池的下游。
如果燃料和/或氧化剂流量计需要温度补偿,校准传感器应安装在紧靠流量计的上游。
8.2.7电池温度
推荐使用热电偶、带传感器或热敏电阻的电阻温度计作为直接温度测重的传感器。
温度传感器宜尽可能地接近阴极活性面积中心位置。理想情况下，它应在阳极和阴极流场板中心 位置（见5.4和附录A)
8.2.8燃料和氧化剂压力
优先采用校准过的压力传感器测量燃料和氧化剂压力.其他可以接受的方法包括校准过的压力 计、重力仪、弹簧管或其他弹性类仪表。
静压测甭端口应位于单电池的上游或下游。燃料和氧化剂压力可以在电池的上游(进口压力模式） 或电池的下游(背压模式)进行控制。
性能试验前应检査连接管道以确保在工作条件下不浞气，同时避免管道中存有液态水，
如果出现压力波动，应在有效位置采取合适的减震措施。
当速度的影响可以忽略时，测量压力应为静态压力。
8.2.9燃料和氧化剂湿度
为了测量燃料和氧化剂的湿度，根据燃料和氧化剂温度，可以采用冷镜、氧化铝、固体聚合物电阻或 电容类的湿度计来测量湿度值.
湿度应以露点温度或以电池温度计箅的相对湿度百分比表示.
试验开始前，湿度测童位置应位于单电池上游，或将湿度传感器置于反应气体中。如果采用空气或 合成气体作为氧化剂，应测景并记录露点.
8.2.10环境条件
应测最和记录环境温度、压力和湿度.
直接测量环境温度，宜使用带有变送器的热电偶或者带有变送器的电阻温度计. 直接测量环境压力，宜使用水银气压计.
直接测贵环境湿度，宜使用湿度计.
8.3测置单位
表1为测试中参数及相关测量单位.
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