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| 标准编号 | GB/T 38914-2020 (GB/T38914-2020) | | 中文名称 | 车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命测试评价方法 | | 英文名称 | Evaluation method for lifetime of proton exchange membrane fuel cell stack in vehicle application | | 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 | 18,135 | | 发布日期 | 2020-06-02 | | 实施日期 | 2020-12-01 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 38914-2020
Evaluation method for lifetime of proton exchange membrane fule cell stack in vehicle application
ICS 27.070
K82
中华人民共和国国家标准
车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命
测试评价方法
2020-06-02发布
2020-12-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
国 家 标 准 化 管 理 委 员 会 发 布
目次
前言 Ⅲ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 1
4 测试设备及条件 2
4.1 测试对象 2
4.2 测试平台及测试对象安装 2
4.3 测试环境与基本要求 3
4.4 特别规定 3
5 使用寿命测试方法 3
5.1 总则 3
5.2 活化、测试及稳定性考核 3
5.3 分工况测试 5
5.4 寿命测试结束时的发电性能测试 9
5.5 循环工况谱的确定 10
5.6 性能衰减率和燃料电池使用寿命计算 10
6 测评报告 11
参考文献 12
前言
本标准按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。
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。
本标准起草单位:清华大学、中国科学院大连物理化学研究所、武汉理工大学、新研氢能科技有限公
司、广东国鸿氢能科技有限公司、新源动力股份有限公司、南京大学、机械工业北京电工技术经济研究
所、北京上电科赛睿科技有限公司、中国质量认证中心、上海神力科技有限公司、上海市质量监督检验技
术研究院、航天新长征电动汽车技术有限公司、广东合即得能源科技有限公司、北京氢璞创能科技有限
公司、上海重塑能源科技有限公司、上海攀业氢能源科技有限公司、上海恒劲动力科技有限公司、东莞众
创新能源科技有限公司、苏州弗尔赛能源科技股份有限公司、南京东焱氢能源科技有限公司、中国船舶
重工集团公司第七一二研究所、福建亚南电机有限公司、无锡市产品质量监督检验院、上海机动车检测
认证技术研究中心有限公司、丰田汽车(中国)投资有限公司、北京亿华通科技股份有限公司、上海博暄
能源科技有限公司、浙江高成绿能科技有限公司、山东东岳未来氢能材料有限公司。
本标准主要起草人:裴普成、衣宝廉、潘牧、齐志刚、燕希强、邢丹敏、刘建国、张亮、卢琛钰、王刚、
周斌、李松丽、侯明、俞红梅、王诚、靳殷实、黄平、朱俊娥、胡哲、董辉、胡磊、徐伟强、徐加忠、顾军、
叶东浩、林玉祥、陈耀、裴冯来、张倩、刘然、田丙伦、侯向理、邹业成。
车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命
测试评价方法
1 范围
本标准规定了车用质子交换膜燃料电池堆的使用寿命测试和计算方法。
本标准适用于道路车辆和非道路车辆用质子交换膜燃料电池堆的寿命测试和评价。
注:本标准暂不考虑实验室与道路环境空气质量差异的影响。
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/T 20042.1 质子交换膜燃料电池 第1部分:术语
GB/T 23645-2009 乘用车用燃料电池发电系统测试方法
GB/T 28183-2011 客车用燃料电池发电系统测试方法
GB/T 29838-2013 燃料电池 模块
GB/T 36288-2018 燃料电池电动汽车 燃料电池堆安全要求
GB/T 37244-2018 质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气
3 术语和定义
GB/T 20042.1、GB/T 23645-2009、GB/T 28183-2011、GB/T 29838-2013界定的以及下列术语
和定义适用于本文件。
3.1
怠速电流 idlingcurrent
被测燃料电池堆对应车载燃料电池系统在怠速工况下燃料电池堆的输出电流,此电流下燃料电池
堆能够维持燃料电池系统自身工作一定时间,但对外不输出功率。
3.2
额定电流 ratedcurrent
被测燃料电池堆对应车载燃料电池系统在额定工况下燃料电池堆的输出电流,此电流下燃料电池
堆能够维持运行一定时间。
3.3
在燃料电池寿命测评中以某特定电流为基准的工况。
3.4
工况循环 operationmodecycle
被测燃料电池堆对应车载燃料电池系统从启动到停机连续运行中燃料电池堆的工况变化历程。
3.5
燃料电池堆在车用工况循环下从开始使用至伏安特性衰减到规定的最低程度时的累计使用时间。
4 测试设备及条件
4.1 测试对象
测试对象一般为单一燃料电池堆或多个燃料电池堆的组合体。所测的电池堆,内部膜电极及双极
板的结构尺寸和材料与实际应用的燃料电池堆相同。
对于燃料电池系统中多电池堆组合的情况,可取其中一个电池堆为测试对象,也可取部分或全部电
池堆组合体为测试对象。测试对象需要从系统中取出后安装于测试平台进行测试。
在测试平台上安装测试对象前,检查确认测试对象无外观损伤,并确认燃料电池堆符合
GB/T 36288-2018的基本安全要求。
4.2 测试平台及测试对象安装
主要测量器件及测量精度见表1。
表1 主要测量器件及精度
测量器件 精度
湿度测量装置 相对湿度不低于±3.0%
温度测量装置 不低于±1.0℃
压力测量装置 不低于±1.0kPa
燃料质量流量测量装置 不低于±1.0%FS(满量程)
空气质量流量测量装置 不低于±1.0%FS
电压测量装置 不低于±0.5%FS
电流测量装置 不低于±0.5%FS
燃料电池堆测试平台如图1所示。测试设备应能按照测试程序自动调控,并记录测量参数;应具备
多通道电压采集功能,能够显示和记录燃料电池堆每节燃料电池的电压;供气流量和湿度变化速度不低
于测试所用工况谱中的变载速度。可使用任何一方提供的测试平台,但应满足本标准要求。
要求进气温度、湿度、压力传感器布置在电池堆进气口上游100mm之内,电池堆温度传感器布置
在冷却液出口下游100mm之内或电池堆内部,进气流量计布置于气体增湿之前的管路。如果燃料电
池堆或模块外壳的特殊设计造成传感器布置位置无法达到前述位置(100mm范围之内),则可由测试
方与委托方协商解决。
图1 燃料电池堆测试平台示意图
完成测试设备与燃料电池堆或模块连接后,确认燃料电池堆各接口处不泄漏,并用手持式或其他类
型的氢气检测仪检查燃料电池堆的氢气密封性。
4.3 测试环境与基本要求
规定测试环境条件为:海拔不超过1000m,环境温度为5℃~40℃,实验室与室外应保持通风。
基本要求:所用氢气纯度应不低于99.97%,符合GB/T 37244-2018的规定。
4.4 特别规定
燃料电池堆的测试评价应依据以下规定执行:
---燃料电池堆额定电流:由委托方指定,或对应燃料电池平均每节电压0.65V时的电流;
---燃料电池堆怠速电流:由委托方指定,或对应燃料电池平均每节电压0.85V时的电流;
---燃料电池堆基准电流:在完成初步活化后对应燃料电池平均每节电压0.70V时的电流;
---车用燃料电池堆使用寿命的评价准则:从开始伏安曲线至最终伏安曲线,在基准电流下燃料电
池平均每节电压衰减10%。
5 使用寿命测试方法
5.1 总则
要求依次完成下面的各项测试,不得调整测试顺序。除特别规定的情况外,加载和减载过程一般按
委托方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节0.3V以下。
下列情况可判定为电堆损坏或寿命终结,可结束寿命测试:
---燃料电池堆不能稳定运行;
---额定电流工况下某节燃料电池电压低于0.3V(水淹情况除外);
---试验过程中燃料电池堆空气侧排气中氢气的体积浓度高于0.5%。
5.2 活化、测试及稳定性考核
5.2.1 燃料电池堆活化
按照委托方规定的方法对燃料电池堆进行活化。
5.2.2 燃料电池堆性能测试与电流参数的确定
完成活化后,测试燃料电池堆发电性能。测试中燃料电池堆进气温度、进气湿度、进气压力、供气化
学计量比、冷却液温度及冷却液压力等参数由委托方指定。
发电性能测试方法:在怠速至平均每节燃料电池电压0.60V范围,至少测量10个工况点,记录各
工况稳定时的输出电流和电压,并记录开路电压(OCV)。在燃料电池平均单节电压0.70V±0.005V
工况,记录各节燃料电池电压。
由“电流-电压”测试结果,确定燃料电池的基准电流、怠速电流和额定电流。
5.2.3 燃料电池堆稳定性考核与初始电压V0 的确定
按照图2和表2进行100h运行。工况谱为:每小时启停1次、加载27次、怠速21min、额定工况
18min。燃料电池堆每运行4h,停机休息1h。
1h完成1个工况循环。最后一个循环结束时,按照5.2.2方法测试燃料电池堆发电性能,并记录
基准电流下燃料电池各节电压。
利用燃料电池堆发电性能曲线,确定基准电流工况下平均单节燃料电池电压V0,作为寿命计算公
式中的初始电压。
图2 用于燃料电池堆稳定性考核的参比工况谱
表2 燃料电池堆稳定性考核操作规程
步骤 工况 要求
1 启动
前提条件 各节燃料电池电压< 0.3V
过程 按委托方要求的控制方法完成启动
2 怠速 停留时间 180s
3 循环变载
计数完成变载27次
加载过程时间 30s
加载终点 额定电流
额定电流停留时间 35s
减载过程 16s
减载终点 怠速电流
怠速停留时间 40s
4 停机 按委托方要求的控制方法完成停机,燃料电池堆在停机后1min内电压降至开路电压50%以下
5.3 分工况测试
5.3.1 分工况测试要求
应依次完成怠速工况、额定工况、变载工况、启停工况等试验。
试验过程中,燃料电池堆不得进行拆装和调整紧固力,如果出现膜电极、双极板或密封件损坏,应终
止寿命测试。如果发生意外停机,应及时降低燃料电池堆电压至各节0.3V以下,可继续试验。
分工况的测试,适用于对燃料电池堆一般使用寿命的评价,要求不增加其他特殊控制策略。如要预
测燃料电池堆在其他特殊控制策略下的使用寿命,可参考分工况测试方法重新制定测试方法进行测试,
但利用本标准所计算的使用寿命应注明其特殊条件。
5.3.2 怠速工况
怠速实验循环工况包括启动、怠速考核、测基准电流工况电压、停机过程,测试循环如图3所示,操
作规程见表3。
图3 燃料电池堆怠速测试循环
表3 燃料电池堆怠速测试循环操作规程
步骤 工况 要求
1 启动
前提条件 各节燃料电池电压< 0.3V
停留电流 怠速
2 怠速
开始计时
运行电流 怠速电流
3 基准电流工况 每隔约1h,从怠速加载到基准电流工况,维持90s,记录电压,减载至怠速工况
4 停机
条件 怠速工况及基准电流工况连续运行4h
停机及处理
按委托方要求的控制方法完成停机,燃料电池堆在
停机后1min内电压降至开路电压50%以下
每4h完成1个测试循环,至少完成15个循环,每个循环停机后至少休息1h。
根据所记录基准电流工况的电压,绘制“燃料电池平均单节电压-怠速时间(h)”图。对每个怠速循
环最后所测基准电流工况电压进行线性拟合,得电压变化率V'怠。
按式(1)计算怠速工况致使燃料电池电压变化率U'1:
U'1=V'怠 -
V'1
(1)
式中:
U'1---怠速工况致使燃料电池电压变化率,单位为伏每小时(V/h);
V'怠---每个怠速循环最后所测基准电流工况电压进行线性拟合,单位为伏每小时(V/h);
V'1---每次启停的电压衰减率[见5.3.5式(4)],单位为伏每次(V/次)。
5.3.3 额定工况
额定工况试验循环包括启动、怠速、额定电流工况、记录基准电流工况电压、怠速-停机,测试循环如
图4所示,具体操作规程见表4。
图4 燃料电池堆额定工况测试循环
表4 燃料电池堆额定工况测试循环操作规程
步骤 工况 要求
1 启动
前提条件 各节燃料电池电压< 0.3V
停留电流 怠速
2 怠速 停留时间 90s
3 额定工况
开始计时
运行电流 额定电流
变载过程时间 加载过程30s,减载过程16s
4 基准电流工况 每隔约1h,从额定工况变载到基准电流工况,维持90s,记录电压,再回额定工况
5 怠速-停机
条件 额定工况及基准电流工况连续运行4h
怠速停留时间 30s
停机及处理
按委托方要求的控制方法完成停机,燃料电池堆在停机后
1min内电压降至开路电压50%以下
每4h完成1个测试循环,至少完成15个循环,每个循环停机后至少休息1h。
根据所记录基准电流工况的电压,绘制“燃料电池平均单节电压-额定工况时间(h)”图,对每个额定
工况循环最后所测基准电流工况电压进行线性拟合,得电压变化率V'额。
按式(2)计算额定工况致使燃料电池电压变化率U'2:
U'2=V'额 -
V'1
(2)
式中:
U'2 ---额定工况致使燃料电池电压变化率,单位为伏每小时(V/h);
V'额---每个额定工况循环最后所测基准电流工况电压进行线性拟合,单位为伏每小时(V/h);
V'1 ---每次启停的电压衰减率,单位为伏每次(V/次)。
5.3.4 变载工况
变载测试循环包括启动、怠速、循环变载考核、测基准电流工况电压、停机过程,测试循环如图5所
示,具体操作规程见表5。
图5 燃料电池堆变载工况测试循环
表5 燃料电池堆变载工况测试循环操作规程
步骤 工况 要求
1 启动
前提条件 各节燃料电池电压< 0.3V
停留电流 怠速
2 怠速 停留时间 240s
3 循环变载
开始记录加载次数
加载幅度 从怠速电流到额定电流
加载过程时间 30s
额定电流停留时间 3s
减载过程 16s
减载终点 怠速电流
怠速停留时间 15s
基准电流工况
(记1次加载)
条件 完成加载216次考核
方法
从怠速加载到基准电流工况维持90s,记录电压,
减载至怠速工况,怠速停留200s
5 停机
按委托方要求的控制方法完成停机,燃料电池堆在停机后1min
内电压降至开路电压50%以下
每4h完成1个测试循环,至少完成15个循环,每个测试循环停机后至少休息1h。
依基准电流工况电压,绘制“燃料电池平均单节电压-变载次数”图,每次基准电流工况电压测量代
表217次变载,对所测电压点做线性拟合,得到电压变化率V'变。
按式(3)计算变载工况致使燃料电池电压变化率V'2:
V'2=V'变 -
217V'1+
3680·U'1
3600 +
738·U'2
3600
÷ (3)
式中:
V'2---变载工况致使燃料电池电压变化率,单位为伏每次(V/次);
V'变---每次基准电流工况电压测量,对所测电压点做线性拟合,单位为伏每次(V/次);
V'1 ---每次启停的电压衰减率,单位为伏每次(V/次);
U'1 ---怠速工况致使燃料电池电压变化率,单位为伏每小时(V/h);
U'2 ---额定工况致使燃料电池电压变化率,单位为伏每小时(V/h)。
每个测试循环,对应一次启停循环。绘制“燃料电池平均单节电压-测试循环次数”图。对所测电压
点做线性拟合,得到电压变化率V'循环1,单位为伏每次(V/次)。
5.3.5 启停工况
将变载测试循环中间增加7次启停,拆分成8段完成,每30min左右为1个“启动-变载-停机”小循
环,如图6所示。1个完整循环的测试,包括8次启停、217次加载、额定工况时间738s、怠速时间3680s,
其中最后一次加载到基准电流工况维持90s,记录电压。表6是测试循环操作规程。
图6 燃料电池堆启停工况测试循环
表6 燃料电池堆启停工况测试循环操作规程
步骤 工况号 工况 要求
第1
小循
1 启动
前提条件 各节燃料电池电压< 0.3V
停留电流 怠速
2 怠速 停留时间 30s
循环变载
(27次)
记录加载次数
加载始点 怠速电流
加载过程时间 30s
加载终点 额定电流
额定电流停留时间 3s
减载过程 16s
减载终点 怠速电流
怠速停留时间 15s
4 停机
按委托方要求的控制方法完成停机,燃料电池堆在停机后
1min内电压降至开路电压50%以下
表6(续)
步骤 工况号 工况 要求
第2
小循
1 启动 同上工况1
2 怠速 30s
循环变载
(27次)
同上工况3
4 停机 同上工况3
第3小循环m3 次变载(各工况同上)
第7小循环m7 次变载(各工况同上)
第8
小循
1 启动 同上工况1
2 怠速 30s
循环变载
(27次)
同上工况3
基准电流工况
(记1次加载)
从怠速加载到基准电流工况维持90s,记录电压,减载至怠速工况,
怠速停留200s
5 停机
按委托方要求的控制方法完成停机,燃料电池堆在停机后
1min内电压降至开路电压50%以下
每8个小循环为1个测试循环,至少完成15个循环,每完成一个测试循环停机休息至少1h。
根据所记录基准电流工况的电压,绘制“燃料电池平均单节电压-测试循环次数”图。对所测基准电
流工况电压点做线性拟合,得到电压变化率V'循环2。
结合5.3.4测试V'循环1结果,用式(4)计算每次启停致使燃料电池电压变化率V'1:
V'1=
(V'循环2-V'循环1) (4)
式中:
V'1 ---每次启停的电压衰减率,单位为伏每次(V/次);
V'循环2---所测基准电流工况电压点做线性拟合,单位为伏每次(V/次);
V'循环1---变载工况下,所测电压点做线性拟合,单位为伏每次(V/次)。
5.3.6 其他工况
特指从委托方指定的驾驶循环中提取出的除上述工况外的其他具有较高频次的工况,如60%额定
电流、120%额定电流等稳定工况以及这些工况间的变工况。
其他稳定工况的测试方法,可参照额定工况循环测试方法;其他变工况的测试方法,可参照变载工
况循环测试方法。
5.4 寿命测试结束时的发电性能测试
应用与5.2.2相同的方法和实验条件,测试燃料电池堆发电性能,并记录基准电流下燃料电池各节
电压。
5.5 循环工况谱的确定
在计算寿命指标时,可选择“参比工况谱”或“自定工况谱”。“参比工况谱”,用于预测燃料电池堆在
统一的工况谱条件下的使用寿命;“自定工况谱”,用于预测燃料电池堆在委托方指定的其他工况谱条件
下的使用寿命。
参比工况谱参数,包括:
● 每小时启停次数n1=1次;
● 每小时加载次数n2=27次,每次加载过程30s减载过程16s;
● 每小时怠速运行时间t1=21min;
● 每小时额定工况运行时间t2=18min。
委托方提供燃料电池堆工况谱参数,包括:
● 每小时启停次数n1(次);
● 怠速运行时间t1(min);
● 加载次数n2(次)、每次加载和减载过程时间(s);
● 额定工况运行时间t2(min),以及其他工况出现的频次或所占时间。
要求所有工况谱所占时间的总和为3600s±30s。关于变载次数的统计方法,可参考机械疲劳损
伤理论中的变载统计方法。
5.6 性能衰减率和燃料电池使用寿命计算
按式(5)计算燃料电池堆性能衰减率A:
A=V'1n1+V'2n2+
U'1
60t1+
U'2
60t2
(5)
式中:
A ---燃料电池堆性能衰减率,单位为伏每小时(V/h);
V'1 ---每次启停的电压衰减率[见5.3.4式(4)],单位为伏每次(V/次);
n1 ---每小时启停次数,单位为次每小时(次/h);
V'2 ---变载工况致使燃料电池电压变化率,单位为伏每次(V/次);
n2 ---每小时加载次数,单位为次每小时(次/h);
U'1 ---怠速工况致使燃料电池电压变化率,单位为伏每小时(V/h);
t1 ---每小时怠速运行时间,单位为分(min);
U'2 ---额定工况致使燃料电池电压变化率,单位为伏每小时(V/h);
t2 ---每小时额定工况运行时间,单位为分(min)。
对于更多工况情况,按式(6)计算燃料电池堆性能衰减率A:
A=V'1n1+V'2n2+
U'1
60t1+
U'2
60t2+∑i=3(V'ini)+
60∑j=3(U'jtj)(6)
式中:
V'i ---其他变工况致使燃料电池电压衰减率,单位为伏每次(V/次);
ni ---每小时其他变工况次数,单位为次每小时(次/h);
U'j---其他稳定工况致使燃料电池电压衰减率,单位为伏每小时(V/h);
tj ---每小时......
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