燃料電池耐久性的提升對(duì)燃料電池汽車大規(guī)模的商業(yè)化有重要意義。目前，國(guó)際上已有多個(gè)組織或機(jī)構(gòu)制定了燃料電池膜電極耐久性測(cè)試規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)，具體如下：

（1）美國(guó)能源部（United States Department of Energy，DOE）制定的2016 Fuel Cells Section規(guī)定了燃料電池組件耐久性測(cè)試規(guī)程（下稱“DOE規(guī)程”）；

（2）國(guó) 際 電 工 委 員 會(huì)（I n t e r n a t i o n a l Electrotechnical Commission，IEC）主要負(fù)責(zé)電氣工程和電子工程領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化，在燃料電池電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)的制定方面起到了基礎(chǔ)和協(xié)調(diào)的重要作用。其制定的IEC TS 62282-7-1《Fuel cell technologies-Part7-1: Test methods-Single cell performance tests for polymer electrolyte fuel cells(PEFC)》（下稱“IEC標(biāo)準(zhǔn)”）于2017年1月發(fā)布；

（3）日本氫燃料電池工業(yè)協(xié)會(huì)（FCCJ）公布了日本《氫能/燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》，宣布了2010-2026年間詳細(xì)的燃料電池汽車技術(shù)路線。2014年1月30日，日本大同大學(xué)、立命館大學(xué)、東京技術(shù)研究所和日本汽車研究所共同發(fā)布了《Cell evaluation and Analysis Protocol Guideline(Electrocatalyst, Support, Membrane and MEA》（下稱“FCCJ規(guī)程”），詳細(xì)描述了燃料電池單體和組成部件的測(cè)試方法。

（4）截至目前，我國(guó)還未發(fā)布相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)燃料電池材料級(jí)別耐久性測(cè)試方法進(jìn)行規(guī)定，僅在團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CAAMTB12-2020（下稱“T/CAAMTB團(tuán)標(biāo)”）中第6.8條至第6.11條有所體現(xiàn)。

本文主要針對(duì)以上4個(gè)組織或機(jī)構(gòu)制定的燃料電池耐久性測(cè)試方法進(jìn)行分析和對(duì)比。

1、電催化劑耐久性加速測(cè)試方法分析

各測(cè)試規(guī)程中規(guī)定的電催化劑耐久性測(cè)試方法如表1所示，主要針對(duì)陰極鉑碳催化劑的Pt的衰減，規(guī)定了電壓循環(huán)的模式、循環(huán)次數(shù)、時(shí)長(zhǎng)、測(cè)試時(shí)燃料電池的狀態(tài)、性能復(fù)測(cè)的方法和測(cè)試結(jié)束條件。

1.1、電催化劑Pt的加速衰減方法

在0.6V到1.0V之間進(jìn)行方波電壓循環(huán)是各標(biāo)準(zhǔn)體系公認(rèn)的針對(duì)陰極電催化劑Pt的衰減方法，通過(guò)表面氧化和還原的連續(xù)循環(huán)促進(jìn)催化劑的加速降解，并盡量減少對(duì)催化劑載體的腐蝕。從加載的方波區(qū)間和循環(huán)方法等來(lái)看，IEC標(biāo)準(zhǔn)和FCCJ規(guī)程規(guī)定的測(cè)評(píng)方法一致性較高，T/CAAMTB團(tuán)標(biāo)更多借鑒了DOE規(guī)程的測(cè)試方法。

1.2、燃料電池狀態(tài)

各測(cè)試規(guī)程中規(guī)定的電池狀態(tài)基本一致，電池陰陽(yáng)極側(cè)通入的氣體分別為N2和H2，但氣體流量的規(guī)定則存在較大差異，這也是燃料電池對(duì)應(yīng)同一壽命終點(diǎn)時(shí)方波循環(huán)次數(shù)有較大差異的原因之一。

1.3、性能復(fù)測(cè)

各測(cè)試規(guī)程中均包含了極化曲線和電化學(xué)活性面積（ECA）的測(cè)試，質(zhì)量活性（ORR活性）測(cè)試一般作為非必要測(cè)試項(xiàng)目。

1.4、測(cè)試結(jié)束條件

DOE規(guī)程提出了電催化劑壽命衰減測(cè)試結(jié)束時(shí)期待的電池性能指標(biāo)，包括初始催化活性衰減百分比、初始活性面積衰減百分比和指定電流密度點(diǎn)電壓損失三個(gè)指標(biāo)。在IEC標(biāo)準(zhǔn)和FCCJ規(guī)程中則采用電化學(xué)活性面積（ECA）達(dá)到50%衰減或完成指定方波循環(huán)次數(shù)為耐久測(cè)試終點(diǎn)，以先達(dá)到者為準(zhǔn)。DOE在測(cè)試終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的初始ECA衰減百分比上略有不同，為40%。T/CAAMTB團(tuán)標(biāo)中無(wú)測(cè)試終點(diǎn)的判定條件說(shuō)明，以方波循環(huán)30000次作為測(cè)試結(jié)束條件。

2、催化劑載體耐久性加速測(cè)試方法分析

各測(cè)試規(guī)程中的電催化劑載體耐久性加速測(cè)試方法如表2所示，規(guī)定了電壓循環(huán)模式、循環(huán)方法及次數(shù)、電池狀態(tài)、性能復(fù)測(cè)方法和測(cè)試終止條件。

2.1、電催化劑載體耐久性加速測(cè)試方法

各測(cè)試規(guī)程中均采用1.0V至1.5V之間進(jìn)行快速三角波電壓掃描循環(huán)對(duì)鉑碳催化劑碳載體進(jìn)行加速腐蝕，同時(shí)盡可能降低催化劑本身的衰減。四項(xiàng)測(cè)試規(guī)程中規(guī)定的電壓循環(huán)模式、循環(huán)方法和單次循環(huán)時(shí)長(zhǎng)完全一致，IEC標(biāo)準(zhǔn)和FCCJ規(guī)程的電壓加載示意圖中額外說(shuō)明三角波電壓掃描循環(huán)開(kāi)始前應(yīng)在1.0V電壓下穩(wěn)定30s。

2.2、燃料電池狀態(tài)

各測(cè)試規(guī)程中進(jìn)行耐久性加速測(cè)試的燃料電池狀態(tài)基本一致，陰陽(yáng)極進(jìn)入的氣體分別為N2和H2，DOE規(guī)程和IEC標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定氣體流量，F(xiàn)CCJ規(guī)程中陰陽(yáng)極氣體流量分別為800NmL/min和200NmL/min，T/CAAMTB團(tuán)標(biāo)中，陰陽(yáng)極氣體流量一致，均為0.5 SLPM。

2.3、性能復(fù)測(cè)

極化曲線和電化學(xué)活性面積（ECA）是各測(cè)試規(guī)程中評(píng)價(jià)電池性能的基本指標(biāo)，DOE、IEC及FCCJ中也涉及了質(zhì)量活性（ORR活性）的測(cè)試要求。性能復(fù)測(cè)點(diǎn)的選取受三角波循環(huán)次數(shù)的影響，在不同的測(cè)試規(guī)程中設(shè)置的性能復(fù)測(cè)點(diǎn)間隔差異較大。

2.4、測(cè)試結(jié)束條件

T/CAAMTB團(tuán)標(biāo)未對(duì)測(cè)試結(jié)束條件另作說(shuō)明，以完成5000次三角波循環(huán)作為耐久性測(cè)試的終點(diǎn)。IEC標(biāo)準(zhǔn)和FCCJ規(guī)程中將完成60000個(gè)三角波電壓循環(huán)或ECA衰減50%作為測(cè)試結(jié)束的條件，以先到達(dá)者為準(zhǔn)。相比而言，DOE規(guī)定耐久測(cè)試結(jié)束時(shí)，即三角波電壓掃描達(dá)到5000次時(shí)，催化質(zhì)量活性衰減幅度應(yīng)不高于40%，額定點(diǎn)電壓衰減小于30mV，ECA的衰減小于40%。

3、膜電極化學(xué)耐久性加速測(cè)試方法分析

燃料電池持續(xù)保持在開(kāi)路狀態(tài)可加速自由基的產(chǎn)生，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜和其它MEA組件的降解。國(guó)內(nèi)外的測(cè)試規(guī)程中均規(guī)定使用持續(xù)開(kāi)路500h試驗(yàn)作為質(zhì)子交換膜的化學(xué)穩(wěn)定性加速測(cè)試方法（見(jiàn)表3）。

3.1、燃料電池狀態(tài)

各測(cè)試規(guī)程中進(jìn)行化學(xué)耐久性測(cè)試的燃料電池狀態(tài)有一定差異。T/CAAMTB團(tuán)標(biāo)規(guī)定的燃料電池狀態(tài)與DOE完全一致，設(shè)置了50 kPa的陰陽(yáng)極進(jìn)氣壓力。IEC標(biāo)準(zhǔn)和FCCJ規(guī)程中規(guī)定的進(jìn)氣壓力為大氣壓。各測(cè)試規(guī)程規(guī)定的電池溫度和陰陽(yáng)極進(jìn)氣濕度均為90℃，RH30%。在不同的測(cè)試規(guī)程中，陰陽(yáng)極進(jìn)氣氣體均為空氣和H2，而進(jìn)氣流量的規(guī)定不盡相同，存在較大的差異。

3.2、性能復(fù)測(cè)

膜電極化學(xué)耐久性加速測(cè)試過(guò)程中，可持續(xù)監(jiān)測(cè)開(kāi)路電壓（OCV）的變化趨勢(shì)。另外，在各測(cè)試規(guī)程中，在持續(xù)開(kāi)路一定時(shí)長(zhǎng)后，均需進(jìn)行透氫電流密度測(cè)試。除去必須的OCV的持續(xù)監(jiān)測(cè)和透氫電流密度測(cè)試，DOE提出了指定電流密度下的高頻電阻測(cè)試和短路電阻測(cè)試，在IEC標(biāo)準(zhǔn)和FCCJ規(guī)程中規(guī)定必要時(shí)監(jiān)測(cè)陰陽(yáng)極出口廢水中的氟離子濃度。

3.3、測(cè)試結(jié)束條件

各測(cè)試規(guī)程選取的持續(xù)開(kāi)路加速膜電極化學(xué)耐久性衰減的時(shí)間上限均為500h，IEC和FCCJ的測(cè)試規(guī)程將透氫電流密度超過(guò)初始值10倍作為另一個(gè)測(cè)試結(jié)束條件，以兩個(gè)條件中出現(xiàn)較早的為準(zhǔn)。T/CAAMTB團(tuán)標(biāo)中，借鑒了部分DOE設(shè)定的性能指標(biāo)要求，將OCV下降至初始值的20%或透氫電流密度大于15mA/cm2作為達(dá)到測(cè)試結(jié)束的條件。DOE規(guī)定的500h持續(xù)開(kāi)路后膜電極性能要求最為全面，涵蓋了透氫電流密度、OCV和短路電阻三項(xiàng)指標(biāo)。

4、質(zhì)子交換膜機(jī)械耐久性加速測(cè)試

各測(cè)試規(guī)程的質(zhì)子交換膜機(jī)械耐久性加速方法如表4所示，采用干濕循環(huán)方式促使膜的反復(fù)膨脹和收縮，加速膜裂紋和孔洞的形成和增長(zhǎng)。

4.1、質(zhì)子交換膜機(jī)械耐久性加速測(cè)試方法

在表4所示四項(xiàng)測(cè)試規(guī)程中，機(jī)械耐久性測(cè)試以4分鐘為一個(gè)循環(huán)，均分為干濕各兩分鐘，往復(fù)循環(huán)。所用干氣進(jìn)氣相對(duì)濕度為0%，加濕氣體相對(duì)濕度為150%或90℃的露點(diǎn)。各規(guī)程的干濕循環(huán)次數(shù)上限為20000次。

4.2、燃料電池狀態(tài)

在試驗(yàn)過(guò)程中，各規(guī)程選取的電池溫度為80℃，耐久性測(cè)試全程保持開(kāi)路。IEC和FCCJ未限定電池背壓，T/CAAMTB團(tuán)標(biāo)的電池背壓設(shè)定為常壓或無(wú)背壓條件，DOE規(guī)定了陰陽(yáng)極兩側(cè)各50kPa的背壓。各規(guī)程對(duì)陰陽(yáng)極入口氣體及其流量的規(guī)定差異明顯。在DOE、IEC和FCCJ規(guī)程中，陰陽(yáng)極進(jìn)口氣體均為空氣或N2，F(xiàn)CCJ規(guī)定的進(jìn)氣流量相對(duì)更低，各規(guī)程均使用陰陽(yáng)極一致的進(jìn)氣流量。在T/CAAMB團(tuán)標(biāo)中，陽(yáng)極通入氣體為H2，陰極通入氣體為空氣，陰陽(yáng)極進(jìn)氣流量均設(shè)置為2SLPM。但不同的是，在進(jìn)行干濕循環(huán)的過(guò)程中，電池處于開(kāi)路狀態(tài)，持續(xù)開(kāi)路也會(huì)加速電池的性能衰減。

4.3、性能復(fù)測(cè)

各規(guī)程中的性能復(fù)測(cè)間隔時(shí)長(zhǎng)在24至120小時(shí)間，復(fù)測(cè)項(xiàng)目主要為透氫電流密度。除此之外，IEC加入了高頻阻抗測(cè)試，F(xiàn)CCJ指出必要時(shí)需要增加ECA和極化曲線測(cè)試。測(cè)試結(jié)束條件。質(zhì)子交換膜機(jī)械耐久性加速測(cè)試以進(jìn)行完20000次干濕循環(huán)作為上限，各規(guī)程中就性能復(fù)測(cè)指標(biāo)表現(xiàn)劃定其它測(cè)試結(jié)束條件。IEC和FCCJ統(tǒng)一將透氫電流大于初始值10倍作為另一個(gè)測(cè)試結(jié)束條件，T/CAAMTB團(tuán)標(biāo)采用了DOE的方法，將透氫電流密度超過(guò)15mA/cm2作為另一個(gè)測(cè)試結(jié)束條件。

5、結(jié) 語(yǔ)

燃料電池的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展對(duì)燃料電池部件耐久性的要求逐步提高，燃料電池耐久性測(cè)試方法也隨之愈發(fā)受到重視。目前，我國(guó)在燃料電池膜電極及關(guān)鍵材料的耐久性國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定方面尚不完善，現(xiàn)有的T/CAAMTB團(tuán)標(biāo)主要參考了DOE規(guī)程。IEC、DOE、FCCJ和T/CAAMTB規(guī)程中的測(cè)試方法主要框架基本一致，但在部分細(xì)節(jié)上仍存在明顯差異，主要包括進(jìn)氣流量、性能復(fù)測(cè)指標(biāo)、性能復(fù)測(cè)節(jié)點(diǎn)、性能復(fù)測(cè)方法等。未來(lái)，我國(guó)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)在上述幾個(gè)方面開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證和對(duì)比，形成更為科學(xué)合理的測(cè)試方法，推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系完善，助力行業(yè)發(fā)展。