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| 标准编号 | GB/T 31886.2-2015 (GB/T31886.2-2015) | | 中文名称 | 反应气中杂质对质子交换膜燃料电池性能影响的测试方法 第2部分:氢气中杂质 | | 英文名称 | Test method about the influence of gaseous contaminants in reaction gas on the performance of proton exchange membrane fuel cells -- Part 2: Gaseous contaminants in hydrogen | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | K82 | | 国际标准分类 | 27.070 | | 字数估计 | 12,145 | | 发布日期 | 2015-09-11 | | 实施日期 | 2016-04-01 | | 引用标准 | GB 3095-2012; GB/T 5274; GB/T 5275.10; GB/T 3634.2-2011; GB/T 20042.1-2005; GB/T 20042.5-2009; GB/T 28816-2012 | | 起草单位 | 中国科学院大连化学物理研究所 | | 归口单位 | 全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会 | | 标准依据 | 国家标准公告2015年第25号 | | 提出机构 | 中国电器工业协会 | | 发布机构 | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会 | | 范围 | 本标准规定了氢气中含有的一氧化碳(CO)杂质气体对质子交换膜燃料电池性能影响测试方法相关的术语和定义、测试平台及仪器仪表要求、测试前准备、测试方法及测试报告。本标准适用于质子交换膜燃料电池单电池。适用本标准所述测试方法的氢气中杂质气体的体积分数不低于1 μL/L。 | GB/T 31886.2-2015
Test method about the influence of gaseous contaminants in reaction gas on the performance of proton exchange membrane fuel cells.Part 2: Gaseous contaminants in hydrogen
ICS 27.070
K82
中华人民共和国国家标准
反应气中杂质对质子交换膜燃料
电池性能影响的测试方法
第2部分:氢气中杂质
2015-09-11发布
2016-04-01实施
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会发布
前言
GB/T 31886《反应气中杂质对质子交换膜燃料电池性能影响的测试方法》分为以下2个部分:
---第1部分:空气中杂质;
---第2部分:氢气中杂质。
本部分为GB/T 31886的第2部分。
本标准按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
本标准由中国电器工业协会提出。
本标准由全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会(SAC/TC342)归口。
本标准负责起草单位:中国科学院大连化学物理研究所、机械工业北京电工技术经济研究所、新源
动力股份有限公司、武汉邮电科学研究院、同济大学、清华大学、武汉理工大学。
本标准主要起草人:肖宇、陈晨、梁栋、侯明、侯中军、齐志刚、侯永平、杨代军、衣宝廉、裴普成、李赏、
石伟玉、刘淑芬。
反应气中杂质对质子交换膜燃料
电池性能影响的测试方法
第2部分:氢气中杂质
1 范围
本标准规定了氢气中含有的一氧化碳(CO)杂质气体对质子交换膜燃料电池性能影响测试方法相
关的术语和定义、测试平台及仪器仪表要求、测试前准备、测试方法及测试报告。
本标准适用于质子交换膜燃料电池单电池(以下简称“燃料电池”)。
适用本标准所述测试方法的氢气中杂质气体的体积分数不低于1μL/L。
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 3095-2012 环境空气质量标准
GB/T 5274 气体分析 校准用混合气体的制备 称量法
GB/T 5275.10 气体分析 动态体积法制备校准用混合气体 第10部分:渗透法
GB/T 3634.2-2011 氢气 第2部分:纯氢、高纯氢和超纯氢
GB/T 20042.1-2005 质子交换膜燃料电池 术语
GB/T 20042.5-2009 质子交换膜燃料电池 第5部分:膜电极测试方法
GB/T 28816-2012 燃料电池 术语
3 术语和定义
GB/T 20042.1-2005及GB/T 28816-2012界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
洁净空气 cleanair
所含各种污染物浓度均不超过GB 3095-2012中4.2所规定的年平均一级浓度限值的空气。
注1:本标准中洁净空气的定义仅针对其作为燃料电池氧化剂的用途方面。
注2:本标准推荐采用的洁净空气为配制气体,氧浓度为21%,平衡气为氮气。
3.2
燃料氢气中所含的其他气体。本标准适用的杂质气体为CO。
3.3
燃料电池中毒 fuelcelpoisoning
由反应气中含有的杂质气体所造成的燃料电池电压衰减的现象。
注:本标准中的“中毒”均指“燃料电池中毒”。
3.4
毒化操作 poisoningoperation
使燃料电池采用含杂质气体的反应气运行的过程。
注1:本标准中毒化的定义仅针对燃料电池。
注2:杂质为可造成燃料电池中毒的气体组分。
4 测试平台及仪器仪表要求
4.1 燃料电池测试平台
本标准中所采用的测试平台如图1所示,测试平台中的部件包括:
---燃料电池温度控制单元:可对燃料电池进行精确的温度控制;
---反应气流量、压力控制单元及温度、湿度控制单元:对输入燃料电池的燃料及氧化剂的流量、压
力及湿度、温度进行精确控制;
---恒电流电子负载:可对燃料电池进行恒电流加载运行;
---数据采集单元:采集并记录试验参数及测量数据,其采样能力可实现对每一参数的连续采样间
隔不超过1s。
测试平台流程示意图中,其燃料气流路由纯氢气主流路和杂质氢气支流路构成,且杂质氢气支路于
A点(自A点至电池氢气入口段管路长度不超过10cm)接入纯氢气主流路。该支路具有压力、流量控
制单元,可对杂质氢气的压力、流量进行精确控制;且管路应选用对CO气体组分无吸附作用的材质,或
通过对其他材质管路内壁进行一定的表面涂层处理以避免对CO气体组分的吸附。
测试平台流程示意图中燃料电池指燃料电池单池。
图1 测试平台流程示意图
4.2 测试用仪表精度要求
测试中(实验输出)参数的测量值的精度要求应该满足表1的要求。
表1 测量精度要求
测试项目 精度要求 备注
电压(V) ≤±1% 按最大预期值计
电流(A) ≤±0.5% 按最大预期值计
流量(mL/min) ≤±2% 按最大预期值计
压力(kPa) ≤±3% 按最大预期值计
温度(℃) ≤±1℃ -
相对湿度(%) ≤±3% 按相对误差计
5 测试前准备
5.1 待测燃料电池的基本信息
依据GB/T 20042.5-2009中6.1样品制备及6.2测试仪器和设备中的规定,提供待测电池基本信
息如下:
---样品膜电极有效面积为50cm2,并对有效面积之外的四周进行密封处理;
---流场板采用蛇形流场的纯石墨板;
---集流板采用镀银或镀金处理的不锈钢板;
---燃料电池制造商提供阴阳极催化层铂担量。
5.2 测试条件的确定
依据GB/T 20042.5-2009中6.7规定的常压测试方法,需确定以下测试条件:
---所采用杂质的种类(X)及目标杂质体积分数(cXd);
---燃料电池的运行温度:75℃;
---工作电流密度分别为:200mA/cm2、500mA/cm2 和800mA/cm2;
---燃料电池运行的最低电压(Umin):0.3V;
---最长毒化时间(tdmax):10h;
---燃料气出口背压:0MPa,化学计量比为1.2,相对湿度为100%;
---氧化剂空气出口背压:0MPa,化学计量比为2.5,相对湿度为100%。
---测试过程中每一参数连续采样间隔不超过1min,其中电压及电流连续采样间隔不超过10s。
5.3 反应气体准备
纯氢气:满足GB/T 3634.2-2011中规定的高纯氢气以上品质的氢气作为测试所需的纯氢气源。
氧化剂空气:准备足量洁净空气作为测试所需空气源。
稀释前的杂质燃料氢气:依据GB/T 5274或GB/T 5275.10中的规定,配制标准的足量杂质体积分
数为cX0的杂质氢气,作为测试所需的杂质氢气源;且cX0由目标杂质氢气体积分数(cXd)及稀释比例确
定,计算公式如式(1)。
cXd=cX0×d (1)
式中:
cX0---稀释前含杂质氢气中的杂质体积分数;
cXd---燃料电池制造商指定的测试所采用的目标杂质体积分数;
d ---稀释比例,即稀释后与稀释前杂质体积分数比:1%~5%。
5.4 样品数量及要求
提供同一批次制备的、无差别的至少9个测试样品用于燃料电池中毒测评。
6 测试方法
6.1 总则
本部分详述了燃料电池抗毒化性能测试方法,测试于具备图1所述功能的燃料电池测试台架上进
行。先将样品按不同工作电流密度分成三组,每组对至少3个样品进行测试,每个样品测试一次。
本测试过程中,全程监测并记录燃料电池电流及电压随时间的响应值,测试报告中涉及数值报告部
分应给出所有测试结果的范围区间及平均值。
6.2 测试步骤
6.2.1 概述
本测试由稳态运行阶段、毒化阶段及恢复阶段构成,如图2所示。待测燃料电池样品应至少进行
200mA/cm2、500mA/cm2、800mA/cm2 三个电流密度条件下的测试。
图2 测试过程示意图
6.2.2 稳态运行阶段
本阶段燃料电池以纯氢及洁净空气为反应气,将测试样品按照5.2给出的测试条件恒电流运行至
稳态,处于该状态下的电池电压最大波动范围不超出±15mV,任意2min内电压平均值差异不超过
2mV。记录此时的氢气进气流量为Qa,维持燃料电池稳态运行不低于60min,记录电压稳定状态运行
阶段的起始时间ta,结束时间为tb。
6.2.3 毒化阶段
6.2.3.1 毒化阶段开始
在燃料电池电压稳定状态运行阶段完成后(tb 开始),调节纯氢气流量为Qa1,并同步混入杂质氢
气,流量为Q'a1,维持其余操作条件不变,维持燃料电池恒电流继续运行,进入毒化阶段,其中,纯氢气进
气流量(Qa1)及稀释前杂质氢气进气流量(Q'a1)与设定的总进气流量(Qa)关系如式(2)、式(3):
Qa1=Qa×(1-d) (2)
Q'a1=Qa×d (3)
式中:
Qa1 ---稳定阶段纯氢气流量;
Q'a1---稀释前杂质氢气进气流量;
Qa ---总进气流量;
d ---杂质氢气稀释比例。
6.2.3.2 毒化阶段结束
燃料电池在毒化条件下运行至达到下列条件之一时结束毒化测试,记录测试结束时间为tc。结束
条件如下:
a) 达到燃料电池中毒电压平台区并在该电压平台区持续运行超过60min,该区域内的电池电压
最大波动范围不超出±15mV,任意2min内电压平均值差异不超过5mV;
b) 燃料电池电压值达到最低运行电压(Umin)0.3V;
c) 燃料电池运行至最长毒化时间(tdmax)10h。
6.2.4 恢复阶段
抗毒化测试结束后将燃料氢气再次切换为纯氢气继续测试5h,对电池恢复进行验证(该切换过程
中电池不得卸载及停机)。
6.3 数据处理
6.3.1 概述
本标准为恒电流测试,在判别毒化前后燃料电池的性能时,依据电压的变化作为参考依据。通过本
测试的数据,可以计算得到稳态期间的平均电压、毒化后的平均电压、平均毒化时间以及衰减幅度。
6.3.2 稳态性能(Uw)
燃料电池样品i在稳态运行阶段内电压的算术平均值按式(4)计算,用于表征燃料电池的稳态
性能:
Uw=
n∑
i=1
Uwi (4)
式中:
n ---测试的燃料电池样品数量;
Uwi---样品i的稳定状态阶段平均电压,单位为伏(V);
Uw ---所有样品的平均稳态电压,单位为伏(V)。
6.3.3 毒化后性能(Ud)
取燃料电池样品i于毒化测试结束时电压值作为样品i衰减毒化后电池性能Udi,将不同样品的
Udi按式(5)进行算术平均计算可得到衰减毒化后的平均性能Ud:
Ud=
n∑
i=1
Udi (5)
式中:
n ---测试的燃料电池样品数量;
Udi ---样品i毒化后燃料电池的电压,单位为伏(V);
Ud ---所有样品的平均毒化后电压,单位为伏(V)。
6.3.4 平均毒化时间(t(bc))
取燃料电池样品i运行于tb和tc间的时间差ti(bc)为样品i的毒化时间,将不同样品的ti 按式(6)
进行算术平均计算可得平均毒化时间t(bc):
t(bc)=
n∑
i=1
ti(bc) (6)
式中:
n ---测试的燃料电池样品数量;
ti(bc)---燃料电池样品i的毒化时间,单位为分(min);
t(bc)---燃料电池平均毒化时间,单位为分(min)。
6.3.5 衰减幅度Δu
取燃料电池样品i的稳态电压Uwi、毒化后电压Udi按式(7)进行计算可得样品i衰减幅度Δui:
Δui=(Uwi-Udi)/Uwi×100% (7)
式中:
Δui ---样品i衰减幅度,%;
Uwi ---样品i的稳态阶段平均电压,单位为伏(V);
Udi ---样品i毒化后的电压,单位为伏(V)。
将不同样品的Δui 按式(8)进行算术平均计算可得燃料电池平均衰减幅度Δu。
Δu=
n∑
i=1
Δui (8)
式中:
n ---测试的燃料电池样品数量;
Δui---样品i中毒衰减幅度,%;
Δu---所有样品的平均衰减幅度,%。
6.3.6 性能衰减曲线
将燃料电池样品i于tb~tc段运行过程中电压作为纵轴,相对时间作图(以tb 为时间零点),可得
出样品i的毒化性能衰减曲线,不同样品的毒化性能衰减曲线应绘制于同一图中。通过比较不同燃料
电池样品的性能衰减曲线,可以衡量出不同燃料电池样品的抗毒化性能。
6.3.7 恢复比例
燃料电池样品i,在完成6.2.4恢复阶段测试后,对结束时刻前5min电池性能数据取平均,并将其
与稳态性能(Uw)相比,得到恢复百分比,计算公式如式(9):
ΔUri=Uri/Uwi×100% (9)
式中:
ΔUri---样品i恢复的恢复比例,%;
Uwi ---样品i的稳态阶段平均电压,单位为伏(V);
Uri ---样品i恢复阶段测试结束时刻前5min内的电池平均性能,单位为伏(V)。
7 测试报告
质子交......
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