CN116090184A - 一种燃料电池膜电极实车工况下加速因子的快速计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池膜电极实车工况下加速因子的快速计算方法，属于燃料电池耐久性试验技术领域，对第一燃料电池进行实车工况常速耐久试验，对第二燃料电池进行单一工况加速耐久试验，并分别测量第三燃料电池、实车工况常速耐久试验后得到的第一试验后燃料电池和单一工况加速耐久试验后得到的第二试验后燃料电池的膜电极的催化剂层的厚度，即可确定用于表征单一工况加速耐久试验和实车工况常速耐久试验之间的关联关系的加速因子。利用加速因子即可快速推断待测试燃料电池的膜电极在实车工况下的寿命，计算效率高。

Description

一种燃料电池膜电极实车工况下加速因子的快速计算方法

技术领域

本发明涉及燃料电池耐久性试验技术领域，特别是涉及一种燃料电池膜电极实车工况下加速因子的快速计算方法。

背景技术

近年来，随着燃料电池汽车商业化进程加快，燃料电池寿命成为燃料电池汽车行业重点关注的问题之一。膜电极作为燃料电池的核心组件，其寿命直接决定了燃料电池的寿命。但在实车工况下，燃料电池性能衰减试验往往需要几千小时，难以满足膜电极耐久性的快速检测需求。

基于此，亟需一种能够快速计算燃料电池膜电极在实车工况下寿命的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池膜电极实车工况下加速因子的快速计算方法，通过计算表征单一工况加速耐久试验和实车工况常速耐久试验的关联关系的加速因子，以快速计算燃料电池膜电极在实车工况下的寿命，计算效率高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种燃料电池膜电极实车工况下加速因子的快速计算方法，所述快速计算方法包括：

对第一燃料电池进行实车工况常速耐久试验，直至所述第一燃料电池的第一性能衰减率达到预设值，得到第一试验后燃料电池和第一运行时间；

对第二燃料电池进行单一工况加速耐久试验，直至所述第二燃料电池的第二性能衰减率达到所述预设值，得到第二试验后燃料电池和第二运行时间；

分别测量第三燃料电池、所述第一试验后燃料电池和所述第二试验后燃料电池的膜电极的催化剂层的厚度，得到参考厚度、第一厚度和第二厚度；

根据所述第一性能衰减率、所述第一运行时间、所述第二性能衰减率、所述第二运行时间、所述参考厚度、所述第一厚度和所述第二厚度计算加速因子；所述加速因子用于表征单一工况加速耐久试验和实车工况常速耐久试验之间的关联关系，计算待测试燃料电池的膜电极在实车工况下的寿命。

在一些实施例中，所述对第一燃料电池进行实车工况常速耐久试验，直至所述第一燃料电池的第一性能衰减率达到预设值，得到第一试验后燃料电池和第一运行时间具体包括：

对第一燃料电池进行活化，得到第一活化后燃料电池；对所述第一活化后燃料电池进行性能复测，得到第一极化曲线；

在所述第一活化后燃料电池上运行若干次第一工况曲线，得到第一运行后燃料电池；

对所述第一运行后燃料电池进行可逆损失恢复，得到第一恢复后燃料电池；对所述第一恢复后燃料电池进行性能复测，得到第二极化曲线；

根据所述第一极化曲线和当前得到的所述第二极化曲线确定所述第一燃料电池的第一性能衰减率，并判断所述第一性能衰减率是否达到预设值；

若是，则结束所述实车工况常速耐久试验，以所述第一恢复后燃料电池作为第一试验后燃料电池，并确定所述实车工况常速耐久试验中所述第一工况曲线的运行总时间，得到第一运行时间；

若否，则继续所述实车工况常速耐久试验，以所述第一恢复后燃料电池作为第一活化后燃料电池，返回“在所述第一活化后燃料电池上运行若干次第一工况曲线，得到第一运行后燃料电池”的步骤。

在一些实施例中，所述对第二燃料电池进行单一工况加速耐久试验，直至所述第二燃料电池的第二性能衰减率达到所述预设值，得到第二试验后燃料电池和第二运行时间具体包括：

对第二燃料电池进行活化，得到第二活化后燃料电池；对所述第二活化后燃料电池进行性能复测，得到第三极化曲线；

在所述第二活化后燃料电池上运行若干次第二工况曲线，得到第二运行后燃料电池；

对所述第二运行后燃料电池进行可逆损失恢复，得到第二恢复后燃料电池；对所述第二恢复后燃料电池进行性能复测，得到第四极化曲线；

根据所述第三极化曲线和当前得到的所述第四极化曲线确定所述第二燃料电池的第二性能衰减率，并判断所述第二性能衰减率是否大于所述预设值；

若是，则结束所述单一工况加速耐久试验，以所述第二恢复后燃料电池作为第二试验后燃料电池，并确定所述单一工况加速耐久试验中所述第二工况曲线的运行总时间，得到第二运行时间；

若否，则继续所述单一工况加速耐久试验，以所述第二恢复后燃料电池作为第二活化后燃料电池，返回“在所述第二活化后燃料电池上运行若干次第二工况曲线，得到第二运行后燃料电池”的步骤。

在一些实施例中，所述单一工况加速耐久试验和所述实车工况常速耐久试验中所使用的测试夹具和测试条件相同；所述对第一燃料电池进行活化和所述对第二燃料电池进行活化所用的活化方法和活化结束判定条件相同；所述对所述第一活化后燃料电池进行性能复测、所述对所述第一恢复后燃料电池进行性能复测、所述对所述第二活化后燃料电池进行性能复测和所述对所述第二恢复后燃料电池进行性能复测的方法相同；所述对所述第一运行后燃料电池进行可逆损失恢复和所述对所述第二运行后燃料电池进行可逆损失恢复的方法相同。

在一些实施例中，所述第二工况曲线为三角波电压曲线。

在一些实施例中，所述膜电极的催化剂层的厚度的测量方法包括：

利用三离子束切割仪分别对膜电极的多个取样位置进行切割，采用扫描电子显微镜拍摄每一所述取样位置对应的截面照片，确定每一所述取样位置的催化剂层的厚度；计算所有所述取样位置的催化剂层的厚度的平均值，得到所述膜电极的催化剂层的厚度；所述膜电极为所述第三燃料电池、所述第一试验后燃料电池和所述第二试验后燃料电池的膜电极。

在一些实施例中，所述根据所述第一性能衰减率、所述第一运行时间、所述第二性能衰减率、所述第二运行时间、所述参考厚度、所述第一厚度和所述第二厚度计算加速因子具体包括：

根据所述参考厚度和所述第一厚度计算所述第一燃料电池的第一厚度衰减率；根据所述参考厚度和所述第二厚度计算所述第二燃料电池的第二厚度衰减率；

根据所述第一性能衰减率、所述第二性能衰减率、所述第一厚度衰减率和所述第二厚度衰减率计算贡献因子；

根据所述第一运行时间、所述第二运行时间和所述贡献因子计算加速因子。

在一些实施例中，所述贡献因子的计算公式为：

其中，σ为贡献因子；c为第二性能衰减率；b为第一厚度衰减率；a为第一性能衰减率；d为第二厚度衰减率。

在一些实施例中，所述加速因子的计算公式为：

其中，ε为加速因子；σ为贡献因子；t₁为第一运行时间；t₂为第二运行时间。

在一些实施例中，所述计算待测试燃料电池的膜电极在实车工况下的寿命具体包括：

对待测试燃料电池进行单一工况加速耐久试验，确定所述待测试燃料电池的膜电极在单一工况下的寿命；利用所述加速因子对所述单一工况下的寿命进行修正，得到所述待测试燃料电池的膜电极在实车工况下的寿命。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明用于提供一种燃料电池膜电极实车工况下加速因子的快速计算方法，对第一燃料电池进行实车工况常速耐久试验，对第二燃料电池进行单一工况加速耐久试验，并分别测量第三燃料电池、实车工况常速耐久试验后得到的第一试验后燃料电池和单一工况加速耐久试验后得到的第二试验后燃料电池的膜电极的催化剂层的厚度，即可确定用于表征单一工况加速耐久试验和实车工况常速耐久试验之间的关联关系的加速因子。利用加速因子即可快速推断待测试燃料电池的膜电极在实车工况下的寿命，从而可快速预测燃料电池膜电极在实车工况下的寿命，显著提升预测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1所提供的快速计算方法的方法流程图；

图2为本发明实施例1所提供的加速因子的计算原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种燃料电池膜电极实车工况下加速因子的快速计算方法，通过计算表征单一工况加速耐久试验和实车工况常速耐久试验的关联关系的加速因子，以快速计算燃料电池膜电极在实车工况下的寿命，计算效率高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

考虑到针对膜电极单一因素进行的单一工况加速耐久试验能够快速确定膜电极在单一工况下的使用寿命，但膜电极在单一工况下的使用寿命不能和燃料电池实车运行面临的多因素工况实际寿命相对应，且目前单一工况加速耐久试验与实车工况常速耐久试验之间也未形成联系。因此，建立膜电极单因素的单一工况加速耐久试验与多因素的实车工况常速耐久试验的联系，对于快速确定膜电极在实车工况下的寿命，评价燃料电池耐久性具有重要意义。

基于此，本实施例用于提供一种燃料电池膜电极实车工况下加速因子的快速计算方法，如图1和图2所示，所述快速计算方法包括：

S1：对第一燃料电池进行实车工况常速耐久试验，直至所述第一燃料电池的第一性能衰减率达到预设值，得到第一试验后燃料电池和第一运行时间；

具体的，S1可以包括：

(1)对第一燃料电池进行活化，得到第一活化后燃料电池；对第一活化后燃料电池进行性能复测，得到第一极化曲线。

本实施例的性能复测即指极化曲线测试，极化曲线测试过程包括对电池施加不同的电流，并采集电池在每一电流下的电压，以绘制电压随电流变化的极化曲线。

(2)在第一活化后燃料电池上运行若干次第一工况曲线，得到第一运行后燃料电池。

本实施例采用实车运行过程功率输出比例制定工况谱，具体将基于中国重型车实际道路工况的功率输出图谱曲线转化为实车工况常速耐久试验所用的第一工况曲线，第一工况曲线是输出功率随时间变化的曲线，其最大输出功率为100％PE，PE指额定功率，低功率区间(10％PE，30％PE，40％PE)共占比33.9％，高功率区间(60％PE，80％PE，100％PE)共占比66.1％。按照第一工况曲线向第一活化后燃料电池施加相应的功率，以在第一活化后燃料电池上运行第一工况曲线，第一工况曲线的一次完整的运行时间为30min，本实施例每次运行可运行24次工况曲线，即在第一活化后燃料电池上运行24次第一工况曲线，时间为12h。本实施例可每12h进行一次性能复测，即运行完成12h，24h，36h，…(以12h递增)，进行极化曲线测试，以在适合的位置进行极化曲线测试。

(3)对第一运行后燃料电池进行可逆损失恢复，得到第一恢复后燃料电池；对第一恢复后燃料电池进行性能复测，得到第二极化曲线。

(4)根据第一极化曲线和当前得到的第二极化曲线确定第一燃料电池的第一性能衰减率，并判断第一性能衰减率是否达到预设值。

本实施例随机定义一个参考电流，根据第一极化曲线确定参考电流对应第一电压，根据当前的第二极化曲线确定参考电流对应的第二电压，计算第一电压和第二电压的差值，并计算该差值与第一电压的比值，即可得到第一性能衰减率。预定值可大于或者等于10％。具体的，第一性能衰减率的计算公式为：m＝(Ei-E0)/E0，其中，m为第一性能衰减率，Ei为第二极化曲线选取的参考电流对应的第二电压，E0为第一极化曲线选取的参考电流对应第一电压，第一极化曲线和第二极化曲线使用相同的参考电流。

(5)若是，则结束实车工况常速耐久试验，以第一恢复后燃料电池作为第一试验后燃料电池，并确定实车工况常速耐久试验中第一工况曲线的运行总时间，得到第一运行时间。

循环开始前和每进行12h循环后进行极化曲线测试，直至性能衰减达到10％，记录此时循环时长为第一运行时间。

(6)若否，则继续实车工况常速耐久试验，以第一恢复后燃料电池作为第一活化后燃料电池，返回“在第一活化后燃料电池上运行若干次第一工况曲线，得到第一运行后燃料电池”的步骤。

S2：对第二燃料电池进行单一工况加速耐久试验，直至所述第二燃料电池的第二性能衰减率达到所述预设值，得到第二试验后燃料电池和第二运行时间；

具体的，S2可以包括：

(1)对第二燃料电池进行活化，得到第二活化后燃料电池；对第二活化后燃料电池进行性能复测，得到第三极化曲线。

(2)在第二活化后燃料电池上运行若干次第二工况曲线，得到第二运行后燃料电池。

本实施例中，第二工况曲线可为三角波电压曲线，采用1.0V～1.5V之间变化的三角波作为电压曲线，第二工况曲线的一次完整运行的运行时间为2s，电压变化速率为0.5V/s。按照电压曲线对第二活化后燃料电池施加电压，以在第二活化后燃料电池上运行第二工况曲线。本实施例可每进行10，100，200，500，1000，1500，…(以500递增)，4500，5000次循环后进行极化曲线测试，即第一次运行时，运行10次第二工况曲线；第二次运行时，运行100次第二工况曲线，依次类推，以在适合的位置进行极化曲线测试。本实施例中，采用基于DOE测试规程的针对膜电极催化剂载体衰减的加速耐久试验工况，采用1.0V～1.5V间以500mV/s电压扫描速率进行三角波电压扫描的方法实现催化剂载体的快速降解，每完成1.0V至1.5V并回到1.0V的全过程为1个循环，每个循环为2s，在循环开始前和每进行10，50，100，200，500，1000，1500，2000…次后进行极化曲线测试。

(3)对第二运行后燃料电池进行可逆损失恢复，得到第二恢复后燃料电池；对第二恢复后燃料电池进行性能复测，得到第四极化曲线。

(4)根据第三极化曲线和当前得到的第四极化曲线确定第二燃料电池的第二性能衰减率，并判断第二性能衰减率是否达到预设值。

本实施例随机定义一个参考电流，根据第三极化曲线确定参考电流对应第三电压，根据当前的第四极化曲线确定参考电流对应的第四电压，计算第三电压和第四电压的差值，并计算该差值与第三电压的比值，即可得到第二性能衰减率。需要说明的是，第三极化曲线和第四极化曲线选择与第一极化曲线和第二极化曲线相同的参考电流。

(5)若是，则结束单一工况加速耐久试验，以第二恢复后燃料电池作为第二试验后燃料电池，并确定单一工况加速耐久试验中第二工况曲线的运行总时间，得到第二运行时间。

本实施例可在单一工况加速耐久试验时，记录此时的循环时长，作为第二运行时间。优选的，还可以根据所有的第四极化曲线，拟合不同时刻下参考电流对应第四电压的曲线，获取以循环圈数为横轴、参考电流对应第四电压为纵轴的曲线方程，将第一性能衰减率对应的电压带入上述曲线方程，得到循环圈数，利用循环圈数乘以一次循环的时长(2s)，即可得到第二运行时间t₂。

(6)若否，则继续单一工况加速耐久试验，以第二恢复后燃料电池作为第二活化后燃料电池，返回“在第二活化后燃料电池上运行若干次第二工况曲线，得到第二运行后燃料电池”的步骤。

优选的，本实施例中，第一燃料电池和第二燃料电池为同一厂家、同一批次的产品，以避免产品本身不同对试验结果的影响。

单一工况加速耐久试验和实车工况常速耐久试验中所使用的测试夹具和测试条件相同。进行耐久试验时，需要将膜电极装配为单电池，两个耐久试验的单电池采用相同的装配方案，并采用测试夹具对单电池进行固定，以单电池为测试载体进行耐久试验，测试夹具包括端板、集流板、流场板、紧固螺丝等。测试条件为单电池温度为80℃，单电池阴阳极均为100％RH加湿状态，避免温湿度变化对膜电极性能的影响。

本实施例中，单一工况加速耐久试验和实车工况常速耐久试验均使用阳极/阴极铂担载量为0.1/0.4mg/cm²的膜电极样品，使用单蛇形流场夹具装配为单电池进行试验，采用的燃料电池单电池试验平台型号可为TOYO Fuel Cell Test System，提供燃料电池测试所需一定流量的氢气、空气、氮气，满足温湿度控制要求，并通过负载和电化学工作站模块满足电流、电压控制条件，输出和保存测试结果。试验过程控制单电池温度为80℃，阳极气体为H₂，阴极气体为N₂，气体相对湿度均为100％RH。

对第一燃料电池进行活化和对第二燃料电池进行活化所用的活化方法和活化结束判定条件相同，即单一工况加速耐久试验和实车工况常速耐久试验实施相同的活化方法至相同的活化结束判定条件，活化结束判定结束条件可为电压约在0.5V时对应电流点在连续两次升载至该电流点稳定20min后电压相差不大于2mV。经过活化后，第一活化后燃料电池和第二活化后燃料电池的单电池性能表现基本一致。

对第一活化后燃料电池进行性能复测、对第一恢复后燃料电池进行性能复测、对第二活化后燃料电池进行性能复测和对第二恢复后燃料电池进行性能复测的方法相同，即单一工况加速耐久试验与实车工况常速耐久试验采用相同的极化曲线测试方法。

对第一运行后燃料电池进行可逆损失恢复和对第二运行后燃料电池进行可逆损失恢复的方法相同，即单一工况加速耐久试验与实车工况常速耐久试验采用相同的可逆损失恢复方法。具体可以通过交替的向阳极/阴极通N₂/N₂、NA/空气、N₂/N₂、H₂/NA、H₂/空气，进行可逆损失恢复。其中，NA表示不通气，即先向阳极通N₂，阴极通N₂，再不向阳极通气，向阴极通空气，接着向阳极通N₂，阴极通N₂，再向阳极通H₂，阴极不通气，最后向阳极通H₂，阴极通空气，通入各个气体的时间和流量可以自行定义。

S3：分别测量第三燃料电池、所述第一试验后燃料电池和所述第二试验后燃料电池的膜电极的催化剂层的厚度，得到参考厚度、第一厚度和第二厚度；

本实施例中，膜电极的催化剂层的厚度的测量方法包括：利用三离子束切割仪分别对膜电极的多个取样位置进行切割，采用扫描电子显微镜拍摄每一取样位置对应的光滑切割截面的截面照片，以根据截面照片确定每一取样位置的催化剂层的厚度。然后计算所有取样位置的催化剂层的厚度的平均值，得到膜电极的催化剂层的厚度，降低不同位置衰减不均匀对计算结果的影响，从而通过微观结构观察催化剂层厚度衰减情况，获取催化剂载体衰减对实车工况运行耐久衰减的贡献因子。催化剂层的厚度一般指阴极侧催化剂层的厚度。膜电极可为第三燃料电池、第一试验后燃料电池和第二试验后燃料电池的膜电极。

其中，三离子束切割仪的设备型号可为Leica EM TIC 3X，扫描电子显微镜的设备型号可为蔡司EVO系列钨灯丝扫描电镜。取样位置可为膜电极的空气入口、氢气入口、空气出口、氢气出口以及中心位置，对于第三燃料电池，不区分顺流场方向和垂直于流场方向，其直接以膜电极中间1cm×0.5cm的区域作为中心位置，对于第一试验后燃料电池和第二试验后燃料电池，中心位置为顺流场方向1cm×0.5cm的区域内，顺流场方向为取样区域的长边，观察截面为垂直于流场方向。

本实施例对膜电极无破损、未经过试验的出厂状态下的燃料电池，进行加速耐久试验后的燃料电池和进行常速耐久试验后的燃料电池分别进行截面微观结构观察，以得到第三燃料电池的参考厚度、第一试验后燃料电池的第一厚度和第二试验后燃料电池的第二厚度，便于后续进行关联关系的确定。

通过S1-S3，本实施例获取了建立耐久性关联所需的数据，包括基于三角波的膜电极催化剂载体加速耐久试验数据，基于实车工况的膜电极常速耐久试验数据，膜电极在未经使用的出厂状态下、进行加速耐久试验后、进行常速耐久试验后采集的催化剂层的厚度变化数据，后续则基于上述数据的数据趋势建立单一工况加速耐久试验和实车工况常速耐久试验之间的关联关系。

S4：根据所述第一性能衰减率、所述第一运行时间、所述第二性能衰减率、所述第二运行时间、所述参考厚度、所述第一厚度和所述第二厚度计算加速因子；所述加速因子用于表征单一工况加速耐久试验和实车工况常速耐久试验之间的关联关系，计算待测试燃料电池的膜电极在实车工况下的寿命。

在实车工况常速耐久试验和单一工况加速耐久试验的性能衰减率几乎一致时，通过微观结构表征手段确定催化剂层的厚度衰减率，用以评定单一工况在实车工况衰减中的贡献因子，并通过运行时长得到初始加速因子，然后耦合初始加速因子和贡献因子，推断单一工况下的寿命与实车工况下的寿命间的联系。上述过程可以包括：在实车工况常速耐久试验中，通过极化曲线确定参考电流对应电压的衰减比例(即第一性能衰减率)达到a％(一般a≥10)时，通过膜电极微观结构分析确定第一试验后燃料电池的催化剂层的厚度衰减比例(即第一厚度衰减率)b％；在针对催化剂载体的单一工况加速耐久试验中，通过极化曲线确定参考电流对应电压的衰减比例(即第二性能衰减率)达到a％时，记录此时的第二性能衰减率c％，通过膜电极微观结构分析确定第二试验后燃料电池的催化剂层的厚度衰减比例(即第二厚度衰减率)d％；分别记录实车工况常速耐久试验的第一运行时间t₁和单一工况加速耐久试验的第二运行时间t₂，初始加速因子δ＝t₁/t₂；实车工况常速衰减中来自催化剂载体的衰减采用贡献因子σ＝cb/ad计算；根据贡献因子修正的燃料电池催化剂载体耐久性试验加速因子为ε＝σ·δ＝cbt₁/adt₂。

具体的，S4可以包括：

(1)根据参考厚度和第一厚度计算第一燃料电池的第一厚度衰减率；根据参考厚度和第二厚度计算第二燃料电池的第二厚度衰减率。

计算参考厚度和第一厚度的差值，并计算该差值与参考厚度的比值，即可得到第一厚度衰减率。计算参考厚度和第二厚度的差值，并计算该差值与参考厚度的比值，即可得到第二厚度衰减率。

(2)根据第一性能衰减率、第二性能衰减率、第一厚度衰减率和第二厚度衰减率计算贡献因子。

贡献因子的计算公式为：

其中，σ为贡献因子；c为第二性能衰减率；b为第一厚度衰减率；a为第一性能衰减率；d为第二厚度衰减率。

(3)根据第一运行时间、第二运行时间和贡献因子计算加速因子。

初始加速因子的计算公式为：

其中，δ为初始加速因子，t₁为第一运行时间；t₂为第二运行时间。

加速因子的计算公式为：

其中，ε为加速因子；σ为贡献因子；δ为初始加速因子；t₁为第一运行时间；t₂为第二运行时间；c为第二性能衰减率；b为第一厚度衰减率；a为第一性能衰减率；d为第二厚度衰减率。

本实施例进行了具体的燃料电池催化剂载体耐久性试验加速因子测试试验，试验结果如下表所示：

本实施例提供了一种燃料电池耐久试验关联方法，基于膜电极催化剂载体降解的单一因素加速耐久工况运行过程中，进行极化曲线测试，基于实车工况的常速耐久工况运行中，进行极化曲线测试，确定燃料电池膜电极在出厂状态、加速耐久后、常速耐久后催化层截面变化情况图，通过微观结构变化与性能衰减趋势规律，建立燃料电池膜电极单一工况单因素加速耐久试验与实车工况多因素常速耐久试验之间的联系，推断单一因素加速耐久试验性能衰减对实车工况多因素常速耐久的加速因子，用于解决针对单因素的单一工况耐久试验测得的寿命，不能和燃料电池实车运行面临的常速多因素工况实际寿命相对应的技术问题，能够快速确定燃料电池膜电极在实车工况下的寿命。

具体的，计算待测试燃料电池的膜电极在实车工况下的寿命可以包括：对待测试燃料电池进行单一工况加速耐久试验，确定待测试燃料电池的膜电极在单一工况下的寿命；利用加速因子对单一工况下的寿命进行修正，得到待测试燃料电池的膜电极在实车工况下的寿命。

其中，利用加速因子对单一工况下的寿命进行修正，得到待测试燃料电池的膜电极在实车工况下的寿命可以包括：计算加速因子和单一工况下的寿命的乘积，得到待测试燃料电池的膜电极在实车工况下的寿命。

质子交换膜燃料电池使用氢气作为燃料，具有清洁无污染、功率密度高的优点，本实施例的快速计算方法所能应用的燃料电池可为质子交换膜燃料电池，也可为其他类型的具有膜电极的燃料电池。

本实施例提出的快速计算方法，将基于单一工况的针对催化剂载体的耐久性试验结果与基于实车工况的多因素衰减耐久性试验结果，在微观结构变化基础上引入贡献因子对初始加速因子进行修正，即通过微观结构与性能参数耦合修正初始加速因子，以建立燃料电池单因素加速耐久与实车工况多因素常速耐久的关联关系，对燃料电池膜电极耐久性评价具有重要意义，还为针对单一材料的单一工况加速耐久与实车工况常速耐久的寿命关系提供了新思路，对于指导燃料电池寿命预测具有重要的指导意义。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种燃料电池膜电极实车工况下加速因子的快速计算方法，其特征在于，所述快速计算方法包括：

对第一燃料电池进行实车工况常速耐久试验，直至所述第一燃料电池的第一性能衰减率达到预设值，得到第一试验后燃料电池和第一运行时间；

对第二燃料电池进行单一工况加速耐久试验，直至所述第二燃料电池的第二性能衰减率达到所述预设值，得到第二试验后燃料电池和第二运行时间；

分别测量第三燃料电池、所述第一试验后燃料电池和所述第二试验后燃料电池的膜电极的催化剂层的厚度，得到参考厚度、第一厚度和第二厚度；

根据所述第一性能衰减率、所述第一运行时间、所述第二性能衰减率、所述第二运行时间、所述参考厚度、所述第一厚度和所述第二厚度计算加速因子；所述加速因子用于表征单一工况加速耐久试验和实车工况常速耐久试验之间的关联关系，计算待测试燃料电池的膜电极在实车工况下的寿命。

2.根据权利要求1所述的快速计算方法，其特征在于，所述对第一燃料电池进行实车工况常速耐久试验，直至所述第一燃料电池的第一性能衰减率达到预设值，得到第一试验后燃料电池和第一运行时间具体包括：

对第一燃料电池进行活化，得到第一活化后燃料电池；对所述第一活化后燃料电池进行性能复测，得到第一极化曲线；

在所述第一活化后燃料电池上运行若干次第一工况曲线，得到第一运行后燃料电池；

对所述第一运行后燃料电池进行可逆损失恢复，得到第一恢复后燃料电池；对所述第一恢复后燃料电池进行性能复测，得到第二极化曲线；

根据所述第一极化曲线和当前得到的所述第二极化曲线确定所述第一燃料电池的第一性能衰减率，并判断所述第一性能衰减率是否达到预设值；

若是，则结束所述实车工况常速耐久试验，以所述第一恢复后燃料电池作为第一试验后燃料电池，并确定所述实车工况常速耐久试验中所述第一工况曲线的运行总时间，得到第一运行时间；

若否，则继续所述实车工况常速耐久试验，以所述第一恢复后燃料电池作为第一活化后燃料电池，返回“在所述第一活化后燃料电池上运行若干次第一工况曲线，得到第一运行后燃料电池”的步骤。

3.根据权利要求2所述的快速计算方法，其特征在于，所述对第二燃料电池进行单一工况加速耐久试验，直至所述第二燃料电池的第二性能衰减率达到所述预设值，得到第二试验后燃料电池和第二运行时间具体包括：

对第二燃料电池进行活化，得到第二活化后燃料电池；对所述第二活化后燃料电池进行性能复测，得到第三极化曲线；

在所述第二活化后燃料电池上运行若干次第二工况曲线，得到第二运行后燃料电池；

对所述第二运行后燃料电池进行可逆损失恢复，得到第二恢复后燃料电池；对所述第二恢复后燃料电池进行性能复测，得到第四极化曲线；

根据所述第三极化曲线和当前得到的所述第四极化曲线确定所述第二燃料电池的第二性能衰减率，并判断所述第二性能衰减率是否达到所述预设值；

若是，则结束所述单一工况加速耐久试验，以所述第二恢复后燃料电池作为第二试验后燃料电池，并确定所述单一工况加速耐久试验中所述第二工况曲线的运行总时间，得到第二运行时间；

若否，则继续所述单一工况加速耐久试验，以所述第二恢复后燃料电池作为第二活化后燃料电池，返回“在所述第二活化后燃料电池上运行若干次第二工况曲线，得到第二运行后燃料电池”的步骤。

4.根据权利要求3所述的快速计算方法，其特征在于，所述单一工况加速耐久试验和所述实车工况常速耐久试验中所使用的测试夹具和测试条件相同；所述对第一燃料电池进行活化和所述对第二燃料电池进行活化所用的活化方法和活化结束判定条件相同；所述对所述第一活化后燃料电池进行性能复测、所述对所述第一恢复后燃料电池进行性能复测、所述对所述第二活化后燃料电池进行性能复测和所述对所述第二恢复后燃料电池进行性能复测的方法相同；所述对所述第一运行后燃料电池进行可逆损失恢复和所述对所述第二运行后燃料电池进行可逆损失恢复的方法相同。

5.根据权利要求3所述的快速计算方法，其特征在于，所述第二工况曲线为三角波电压曲线。

6.根据权利要求1所述的快速计算方法，其特征在于，所述膜电极的催化剂层的厚度的测量方法包括：

利用三离子束切割仪分别对膜电极的多个取样位置进行切割，采用扫描电子显微镜拍摄每一所述取样位置对应的截面照片，确定每一所述取样位置的催化剂层的厚度；计算所有所述取样位置的催化剂层的厚度的平均值，得到所述膜电极的催化剂层的厚度；所述膜电极为所述第三燃料电池、所述第一试验后燃料电池和所述第二试验后燃料电池的膜电极。

7.根据权利要求1所述的快速计算方法，其特征在于，所述根据所述第一性能衰减率、所述第一运行时间、所述第二性能衰减率、所述第二运行时间、所述参考厚度、所述第一厚度和所述第二厚度计算加速因子具体包括：

根据所述参考厚度和所述第一厚度计算所述第一燃料电池的第一厚度衰减率；根据所述参考厚度和所述第二厚度计算所述第二燃料电池的第二厚度衰减率；

根据所述第一性能衰减率、所述第二性能衰减率、所述第一厚度衰减率和所述第二厚度衰减率计算贡献因子；

根据所述第一运行时间、所述第二运行时间和所述贡献因子计算加速因子。

8.根据权利要求7所述的快速计算方法，其特征在于，所述贡献因子的计算公式为：

其中，σ为贡献因子；c为第二性能衰减率；b为第一厚度衰减率；a为第一性能衰减率；d为第二厚度衰减率。

9.根据权利要求7所述的快速计算方法，其特征在于，所述加速因子的计算公式为：

其中，ε为加速因子；σ为贡献因子；t₁为第一运行时间；t₂为第二运行时间。

10.根据权利要求1所述的快速计算方法，其特征在于，所述计算待测试燃料电池的膜电极在实车工况下的寿命具体包括：

对待测试燃料电池进行单一工况加速耐久试验，确定所述待测试燃料电池的膜电极在单一工况下的寿命；利用所述加速因子对所述单一工况下的寿命进行修正，得到所述待测试燃料电池的膜电极在实车工况下的寿命。

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