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一．前言
燃料电池短堆性能测试可协助快速了解燃料电池性能，并了解燃料电池运行条件对燃料电池性能的影响变化。主要测试内容包括：极化性能测试、耐久性测试及敏感性测试。其中敏感性测试主要研究气体流量对燃料电池性能的影响，气体湿度对燃料电池性能的影响，气体压力对燃料电池性能的影响，燃料电池温度对燃料电池性能的影响等。
目前涉及到燃料电池短堆测试的主要标准有：
1. GB/T 20042.2-2023 《质子交换膜燃料电池电池堆通用技术条件》：该标准规定了电池堆管路和管件装配、接线端子和电气连接件、带电零部件的设计要求，以及气密性、压力耐受、绝缘性能、输出性能、环境适应性的技术要求。该标准在电性能上，明确电压、电流、功率等参数的安全范围及异常保护措施。试验方法分为四类：安全性试验（气密性试验、干态绝缘电阻试验）；系统可靠性试验（气体泄漏试验、窜气试验、允许工作压力试验、冷却系统耐压试验、压力差试验及绝缘试验）；输出性能评估试验（正常运行试验、额定功率试验、电气过载试验）；环境适应性试验（低温、高温储存及耐振动冲击试验）。
2. GB/Z 44116-2024 《燃料电池发动机及关键部件耐久性试验方法》：该标准为燃料电池相关产品的耐久性测试提供了统一规范，可用于系统评价燃料电池堆的耐久性，测试工况见图1。涵盖了稳态测试、动态响应测试、负载变化测试，以及电压衰减速率、功率衰减幅度、效率与一致性等关键性能指标。耐久性试验完成后，需进行气密性检测、绝缘性能验证及极化曲线分析，通过采集不同运行时长下参考电流对应的平均单电池电压数据，建立线性拟合模型，最终计算出参考电流条件下的电压衰减速率。
 图1 GB/Z 44116-2024耐久测试工况
3. GB/T 38914-2020 《车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命测试评价方法》：该标准核心方法是通过稳定性测试、怠速工况、额定工况、变载工况、启停工况，结合线性拟合计算电压衰减率，以基准电流下电压衰减10%作为寿命终结判定标准。标准系统规范了活化处理、性能测试及循环工况试验流程，为燃料电池堆的可靠性评估与寿命预测提供了统一技术依据。
二.短堆测试主要内容及其必要性
1.基础试验：在标准工况下检测燃料电池堆的输出电压、电流、功率等性能参数是必要的基础性试验。这些参数是衡量燃料电池堆基本性能的关键指标。输出电压反映电能输出水平，其稳定性是设备正常运行的基础；电流大小体现了电池堆在单位时间内传输电荷的能力，对于确定电池堆的负载能力至关重要；功率则是电压和电流的乘积，它直观地展示了电池堆能够提供的能量大小。通过获取标准条件下的基准数据，为性能评估、系统优化及工程应用提供支撑，是验证燃料电池堆设计要求和应用需求的核心环节。
2.极化曲线测试：极化曲线能够表征燃料电池堆在不同工况下的性能特征及损耗机制。燃料电池运行时的内部反应及能量转换过程会引发电能损耗。极化曲线清晰地展示了电池堆的电压随电流密度增加的衰减规律，通过分析极化曲线的形状和斜率，可以识别出不同类型的极化损失，如活化极化、欧姆极化和浓差极化等。活化极化源于电化学反应的动力学迟滞，欧姆极化主要由电池内部的电阻引起，浓差极化则与反应物和产物的扩散过程有关。了解这些极化损失的来源和大小，有助于针对性地优化燃料电池堆的设计和运行条件，减少能量损失，提高电池堆的性能和效率，因此极化曲线测试对于深入理解燃料电池堆的工作机制和性能优化具有重要意义。
3.敏感性测试：研究电池性能对包括计量比、温度、压力、湿度等测试条件的敏感性影响程度是敏感性测试的重要意义所在。燃料电池的性能受到多种外部环境因素的影响，气体计量比、温度、压力和湿度是其中最为关键的因素。气体计量比反应物供给量与其理论需求量的比值，用于优化反应效率和性能。如果气体计量比不合理，可能会导致阳极或阴极出现反应物供应不足或过量的情况，从而影响电池的性能和寿命。通过气体计量比测试，可以研究不同计量比条件下燃料电池堆的性能变化，确定最佳的气体计量比范围，优化气体供应系统，提高反应物的传输效率，确保燃料电池堆能够在高效、稳定的状态下运行，阴极流量敏感性测试如图2所示。
 图2 阴极流量敏感性测试
敏感性测试还可以评估气体扩散层的性能，为气体扩散层的设计和改进提供参考依据。温度的变化会影响电池内部的化学反应速率和离子传导性能，从而改变电池的输出电压和功率；压力的改变会影响反应物的浓度和扩散速率，进而影响电池的性能；湿度的大小则与质子交换膜的质子传导性能密切相关，合适的湿度条件有助于提高电池的性能和稳定性。通过敏感性测试，可以深入了解燃料电池堆在不同环境条件下的性能变化规律，确定最佳的工作条件范围，为燃料电池系统的设计和控制提供重要参考。此外，该测试还可以评估燃料电池堆对环境变化的适应性和可靠性，为燃料电池在不同应用场景下的推广和使用提供保障。
上海汽检氢能与燃料电池检测研究实验室拥有多套燃料电池短堆测试设备来满足上述测试项目要求，包括：5kW短堆测试台和30kW短堆测试台共5台，如图3和图4所示，10kW测试台共3台，如图5所示，主要用于短堆的性能分析测试，包括高、低温存储测试，极化测试，阴、阳极敏感度测试等，期间可实现单片电池电压的实时监测，异常报警及处理；该10kW测试台可配合环境试验箱完成短堆的低温存储、低温启动等试验，其中冷启动模块是由上海汽检设计的方案，其中有一套温度小循环控制系统用于快速冷启动试验。环境箱温度控制范围为-50℃~90℃，可满足燃料电池短堆测试试验的环境要求，如图6所示。上海汽检氢能与燃料电池检测研究实验室的设备能力能够模拟各种实际工况，对短堆进行全面、精准的测试。
 图3 上海汽检氢能与燃料电池检测研究实验室5kW燃料电池研发测试台  图4 上海汽检氢能与燃料电池检测研究实验室30kW燃料电池研发测试台  图5 上海汽检氢能与燃料电池检测研究实验室10kW燃料电池研发测试台 
图6 群翌10kW燃料电池研发测试台附带环境仓
三、结语
燃料电池短堆测试在推动燃料电池技术发展中起着至关重要的作用，是评估电池性能、优化设计及保障可靠性的关键环节，涵盖极化性能、耐久性与敏感性三大测试体系。基础试验获取电压/电流/功率基准数据，极化曲线测试揭示活化、欧姆、浓差极化损耗机制，敏感性测试则量化气体计量比、温湿度、压力等参数对性能的影响边界，为优化反应物供给、热管理及质子交换膜性能提供科学依据。上海汽检针对短堆测试的试验设备、测试经验与测试能力，能够为燃料电池短堆开发提供技术保障。
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