《燃料电池电动汽车燃料电池堆耐久性试验方法》

T/CSAEXXX—2023

燃料电池电动汽车燃料电池堆耐久性试验方法

1范围

本规范规定了燃料电池电动汽车用燃料电池堆的耐久性试验方法。

本规范适用于车用质子交换膜燃料电池堆。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T20042.1-2017质子交换膜燃料电池第1部分：术语

GB/T20042.2-2008质子交换膜燃料电池电池堆通用技术条件

GB/T24548-2009燃料电池电动汽车术语

GB/T29838-2013燃料电池模块

GB/T36288-2018燃料电池电动汽车燃料电池堆安全要求

GB/T37244质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气

GB/T38914-2020车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命测试评价方法

T/CASEXXX-2023燃料电池电动汽车燃料电池堆性能试验方法

3术语和定义

T/CASEXXX-2023、GB/T20042.1-2017、GB/T24548-2009、GB/T38914-2020界定的以及下列术语

和定义适用于本文件。

3.1

参考电流referencecurrent

在耐久试验中，初始稳态特性（极化曲线）测试中燃料电池堆对应平均单电池电压为0.70V±0.005

V时的电流。

3.2

耐久性durability

燃料电池堆在正常的使用条件下，保持长期正常稳定运行的能力。

4测量参数、单位和准确度

表1规定了试验测量的参数、单位和准确度。

1

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表1测量参数、单位和准确度的要求

测量参数单位准确度分辨率

时间s±0.10.1

温度℃±10.1

压力kPa±20.1

气体流量a.bNLPM±1%FS0.1

气体流量a,cNCCM±1%FS0.01

水流量L/min±1%FS0.1

单电池电压V±0.0010.0001

总电压V±0.5%FS0.1

电流A±0.5%FS0.1

相对湿度%±3%0.1

电导率μS/cm±0.5%0.001

a气体流量（NPLM、NCCM）对应的气体状态是0ºC，101325Pa；

b针对燃料电池堆额定、峰值、极化曲线等性能测试的要求。

c针对气密性测试的要求。

5试验条件及试验要求

5.1燃料电池堆的要求

制造厂提供的燃料电池堆应满足以下要求：

——样品外观完好，无开裂、变形等明显损伤；

——满足GB/T36288-2018中5.2的气密性安全要求和5.3.1的绝缘性能要求。

5.2环境条件

环境条件应满足以下要求：

——海拔不超过1000m，环境温度为23℃±5℃，试验室应与室外保持通风；

——环境湿度条件应在10%RH~60%RH之间。

5.3试验用氢气要求

试验用氢气应符合GB/T37244的要求。

5.4燃料电池堆试验平台要求

燃料电池堆试验平台应满足以下要求：

——具备氢气浓度监测报警功能；

——应能够同步采集单电池电压、电流、流量、温度、湿度和压力等数据；

——采样频率至少为5Hz。

2

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5.5试验条件

试验条件应满足以下要求：

——燃料电池堆的最小计量比电流设定值应不大于0.8A/cm2电流密度所对应的电流值；

——燃料电池堆的阳极气体计量比不大于2.0；

——燃料电池堆的阴极气体计量比应不大于2.0；

——燃料电池堆的阴阳极气体入口压力应不大于180kPa（表压）。

6试验方法

6.1总则

除特别规定的情况外，加载和减载过程一般按制造厂要求的控制方法完成操作。当发生意外停机时，

要及时降低燃料电池堆电压至各单电池电压0.3V以下。

6.2气密性

按T/CASEXXX-2023中的6.3的规定进行。

6.3绝缘电阻

按T/CASEXXX-2023中的6.4的规定进行。

6.4稳态特性（极化曲线）

稳态特性（极化曲线）测试按以下方法进行：

a)按照制造厂的技术要求对燃料电池堆进行活化和调整，活化和调整时间应不超过4h；

b)调节燃料电池堆试验平台参数，使燃料电池堆的进气温度、湿度、压力和冷却水出入口温度、压

力处在规定的范围内；

c)按照附录表B.1进行加载，在每个工况点，运行条件达到制造厂规定后，持续运行一段时间；

d)按照附录表B.1进行降载，每个工况点持续运行30s，停机后按照制造厂的要求进行吹扫；

e)测试结果按附录表B.1要求填写，各工况点结果取电流加载阶跃前第11s至阶跃前第40s之间数据

的平均值。

6.5耐久性

燃料电池堆耐久性试验应按照以下步骤进行：

a)按照第6.2条和第6.3条规定的方法进行初始气密性、绝缘电阻测试；

b)按照制造厂的要求对燃料电池堆进行活化和调整，活化和调整时间应不超过4h；

c)按照第6.4条规定的方法对燃料电池堆进行初始稳态特性（极化曲线）测试，加载工况点应涵

盖参考电流IS；

d)按照制造厂的技术要求，调节燃料电池堆试验平台参数，使燃料电池堆的进气温度、湿度、压

力和冷却水出入口温度、压力处在规定的范围内；

e)根据附录表C.1循环工况，按照制造厂提供的操作条件进行加减载；

f)每进行100h（即200次循环工况）试验，按照第6.4条步骤b）~e）对燃料电池堆进行稳态特

性（极化曲线）测试；

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g)继续按照循环工况进行加载，每当累计循环工况试验时间达到200h（即400次循环工况），第

6.4条对燃料电池堆进行稳态特性（极化曲线）测试

h)待燃料电池堆冷却至室温，按照第6.2条和第6.3条进行气密性、绝缘电阻测试；

i)重复执行步骤d）~h）；

j)当燃料电池堆达到7.2规定的条件时，停止试验并记录循环工况测试总时长，按照第6.4条、

第6.2条和第6.3条进行燃料电池堆稳态特性（极化曲线）、气密性和绝缘电阻测试。

注：1.参考电流点在稳态特性测试中所对应的工况条件应在上下各电流点的工况条件之间；

2.循环工况测试过程中不允许修改工况条件；

3.当发生意外停机时，应及时降低燃料电池堆电压至各单电池电压0.3V以下。

6.6试验终止条件

当出现下列任一情况时，应停止测试：

——燃料电池堆在运行过程中最低单电池电压低于0.3V（水淹情况除外，对于n片一采的电堆，则

为CVM最低值与n的比值小于0.3V）；

——燃料电池堆的气密性无法满足制造厂规定的安全限值；

——燃料电池堆的绝缘阻值结果小于100Ω/V；

——其他导致耐久性试验无法进行的情况。

6.7数据处理

6.7.1参考电流下燃料电池堆的电压衰减速率

6.7.1.1线性拟合法

根据所记录的稳态特性（极化曲线）测试中参考电流所对应的平均单电池电压，绘制“平均单电池

电压（V）—运行时间（h）”图，如图5所示。对所测得的不同运行时长后的基准电流中对应的平均单

电池电压进行线性拟合，如式（1），得到电压衰减速率v。

Uvtb（1）

式中：

U——平均单电池电压，单位为伏特（V）；

t——循环工况运行时长，单位为小时（h）；

——电压衰减速率，单位为伏特每小时（V/h）；

b——拟合常数项。

）

V

U=vt+b

实测值

平均单电池电压（拟合曲线

t

0end

循环工况运行时间（h）

图5平均单电池电压（V）-循环工况运行时间（h）图

6.7.1.2首末作差法

电压衰减速率计算公式如式（2）所示：

4

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UUendstart

vA=100%（2）

tend

式中：

总体电压衰减速率，单位为（）；

vA——V/h

Uend——终止极化曲线测试中参考电流点对应平均单电池电压，单位为伏特（V）；

Ustart——初始极化曲线测试中参考电流点对应平均单电池电压，单位为伏特（V）；

tend——循环工况运行总时长，单位为小时（h）。

6.7.2参考电流下燃料电池堆的电压衰减幅度

6.7.2.1线性拟合法

电压衰减幅度应根据式（3）计算：

vtend

ΔU=100%（3）

Ustart

式中：

ΔU——电压衰减幅度；

Ustart——初始极化曲线测试中参考电流点对应平均单电池电压，单位为伏特（V）；

tend——循环工况运行总时长，单位为小时（h）。

6.7.2.2首末作差法

电压衰减幅度计算公式如式（4）所示：

UUendstart

UA=100%（4）

Ustart

式中：

总体电压衰减幅度；

ΔUA——

Uend——终止极化曲线测试中参考电流点对应平均单电池电压，单位为伏特（V）；

Ustart——初始极化曲线测试中参考电流点对应平均单电池电压，单位为伏特（V）。

6.7.3变异系数计算

变异系数计算公式如式（5）和式（6）所示：

U

CV=100%（5）

Umean

n

qqU

i2（6）

U=(Umean)

nqi=1

式中：

CU——变异系数；

U——单电池电压标准偏差，单位为伏特（V）；

Umean——燃料电池堆单电池电压平均值，单位为伏特（V）；

5

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q——每个单电池电压采集通道所包含的单电池数量；

n——燃料电池堆的单电池数量；

Ui——燃料电池堆在指定电流运行时第i个单电池电压采集通道的数值，单位为伏特（V）。

6.7.4极差计算

极差计算公式如式（7）所示：

UR=(Umax-Umin)×1000（7）

式中：

UR——极差，单位为（mV）；

Umax——单电池电压最大值，单位为伏特（V）;

Umin——单电池电压最小值，单位为伏特（V）。

7试验结果

燃料电池堆耐久性试验结果按附录D填写。

6

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附录A

（资料性附录）

燃料电池堆样品参数

表A.1样品参数表

基本参数

序号项目参数单位

1额定功率kW

2额定电流A

3峰值功率kW

4峰值电流A

5长×宽×高mm

6单电池片数片

7活性面积cm2

8双极板材质/

气密性参数

9阳极腔保压允许压降值@50kPakPa

10三腔保压允许压降值@最大允许工作压力kPa

11阳极腔气体的最大允许泄漏速率NCCM

12阳极腔向阴极腔的最大允许窜气速率NCCM

阳极腔和阴极腔向冷却液腔的最大允许窜气速

13NCCM

率

14燃料电池堆的最大允许对外泄漏速率NCCM

试验平台连接参数

15氢气出入口尺寸mm或inch

16氢气路接口类型（螺纹/卡套/卡盘/宝塔接头）/

17空气出入口尺寸mm或inch

18空气路接口类型（螺纹/卡套/卡盘/宝塔接头）/

19冷却液路出入口尺寸mm或inch

20冷却液路接口类型（螺纹/卡套/卡盘/宝塔接头）/

21封装箱吹扫口尺寸（若有）mm或inch

22单电池电压采集方式（接线/CAN通讯）/

试验平台设置参数

23气体供给方式（流量/计量比）/

24最小计量比电流（应≤0.15A/cm2对应电流值）A

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表A.1（续）

序号项目参数单位

25氢气排气方式直排/

26阳极入口压力（表压，急停/报警）kPa

27阴极入口压力（表压，急停/报警）kPa

28冷却路入口压力（急停/报警）kPa

29阴阳极压差（急停/报警）kPa

30阳极入口温度（急停/报警）℃

31阴极入口温度（急停/报警）℃

32冷却路入口温度（急停/报警）℃

33冷却路出入温差（急停/报警）℃

34单电池电压（急停/报警）V

35其他保护值/

…

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附录B

（资料性附录）

燃料电池堆稳态特性（极化曲线）测试

B.1稳态特性（极化曲线）测试电流工况点及测试条件信息

流量入口压力出口压力入口温度露点温度

加

（NLPM）（kPa）（kPa）（℃）（℃）冷却液出

载电流密度电压时间

冷入口温差

步（A/cm2）（V）（min）阳阴阳阴阳阴阳阴阳阴

却（℃）

骤极极极极极极极极极极

液

1开路

20.1

30.2

40.3

50.4

60.5

70.6

80.7

90.8

100.9

111.0

······

···IS

···IE

······

···IM

注：当对应加载电流的平均单电池电压值高于0.85V时，测试时间为每个工况点1min；其他工况点，测试时间为

每个工况点5min，IS表示参考电流，IE表示额定电流，IM表示峰值电流。

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附录C

（规范性附录）

燃料电池堆耐久性循环工况

燃料电池堆耐久性循环工况加载方法由以下阶段组成（见图C.1和表C.1）。

图C.1燃料电池堆耐久性循环工况

C.1燃料电池堆耐久性循环工况

加载步骤加载电流（A）加载时间（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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（续上表）

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燃料电池堆耐久性循环工况参数响应速率要求

由试验平台提供的测试参数响应速率应满足以下要求：

——压力响应速率不低于3kPa/s；

——温度响应速率不低于3℃/min；

——流量响应速率不低于1000NLPM/s；

——电流响应速率不低于100A/s。

C.3燃料电池堆耐久性循环工况参数公差要求

C.3.1循环工况压力公差要求

1

）

kPa

压力（

2

时间（s）

说明：

11

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1——循环工况规定的压力曲线；

2——压力公差，单位为千帕（kPa）。

图C.2压力规定曲线和公差

关于燃料电池堆气体实际压力和循环工况规定压力之间的允许公差规定为：

——当循环工况规定的压力设定值PSET≤100kPa时，压力公差为±2kPa；

——当循环工况规定的压力设定值PSET＞100kPa时，压力公差为±3kPa;

——在每个试验循环中，允许超出公差范围的累计时间不超过180s。

C.3.2循环工况温度公差要求

1

）

℃

温度（

2

时间（s）

说明：

1——循环工况规定的温度曲线；

2——温度公差，单位为摄氏度（℃）。

图C.3温度规定曲线和公差

关于燃料电池堆气体实际温度和循环工况规定温度之间的允许公差规定为：±5℃，在每个试验循

环中，允许超出公差范围的累计时间不超过180s。

C.3.3循环工况流量公差要求

1

）

NLPM

流量（

2

时间（s）

说明：

12

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1——循环工况规定的流量曲线；

2——流量公差，单位为标准升每分钟（NLPM）。

图C.4流量规定曲线和公差

关于燃料电池堆气体实际流量和循环工况规定流量之间的允许公差规定为：±2%流量设定值，在

每个试验循环中，允许超出公差范围的累计时间不超过180s。

C.3.4循环工况电流公差要求

1

）

A

电流（

2

时间（s）

说明：

1——循环工况规定的电流曲线；

2——电流公差，单位为安（A）。

图C.5电流规定曲线和公差

关于燃料电池堆电流和循环工况规定电流之间的允许公差规定为：±1A，在每个试验循环中，允

许超出公差范围的累计时间不超过60s。

C.4燃料电池堆耐久性循环工况加减载速率要求

燃料电池堆在耐久性循环工况中的加减载速率应不小于10%IE/s。

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附录D

（资料性附录）

燃料电池堆耐久性试验结果

绝缘电阻、气密性、极化曲线测试结果应按表D.1、表D.2、表D.3、表D.4进行记录。

表D.1第（____）h后绝缘电阻测试结果

序号一级条目二级条目参数单位

1绝缘电阻测绝缘电阻值，正对地kΩ/V

2试绝缘电阻值，负对地kΩ/V

表D.2第（____）h后气密性测试结果

序号一级条目二级条目参数单位

1三腔保压，压降值kPa

2阳极腔向阴极腔的窜气速率NCCM

3气密性测试阳极腔和阴极腔向冷却液腔的窜气速率NCCM

4阳极腔泄漏速率NCCM

5燃料电池堆对外泄漏速率NCCM

表D.3第（____）h后极化曲线测试结果

电流密度电堆电流平均单电池电压电堆电压功率

序号

（A/cm2）（A）（V）（V）（kW）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

…

…

…

…

14

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表D.4基准电流点测试结果

平均单电单电池电压单电池电压

时间电堆电压功率极差变异系数

池电压最小值最大值

（h）（V）（kW）（mV）（%）

（V）（V）（V）

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

…

…

…

…

15

ICSXXX

CCSTXX

团体标准

T/CSAEXXX－2023

燃料电池电动汽车燃料电池堆耐久性试验

D