ChinaAutoRegs｜GB/T 38914-2020英文翻译/车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命测试评价方法
Evaluation Method for Lifetime of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Stack in Vehicle Application
1 SCOPE
This Standard specifies the test and calculation methods for lifetime of proton exchange membrane (PEM) fuel cell stack (FCS) in vehicle application.
This Standard applies to testing and evaluating the lifetime of proton exchange membrane fuel cell stacks for road vehicles and non-road vehicles.
Note: The influence of the difference in air quality between laboratory and road environment is not taken into consideration in this Standard currently.
2 NORMATIVE REFERENCES
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated references, only the editions cited apply. For undated references, the latest editions of the normative document (including any amendments) apply.
GB/T 20042.1 Proton exchange membrane fuel cell-Part 1 : Terminology
GB/T 23645-2009 Test methods of fuel cell power system for passenger cars
GB/T 28183-2011 Test methods of fuel cell power system for bus
GB/T 29838-2013 Fuel cell modules
GB/T 36288-2018 Fuel cell electric vehicles-Safety requirement of fuel cell stack
GB/T 37244-2018 Fuel specification for proton exchange membrane fuel cell vehicles-Hydrogen
3 TERMS AND DEFINITIONS
For the purpose of this document, the terms and definitions established in GB/T 20042.1, GB/T 23645-2009, GB/T 28183-2011 and GB/T 29838-2013, as well as the followings apply.
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
基准电流工况 referencecurrentcondition
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
车用燃料电池堆使用寿命 lifetimeoffuelcellstackinvehicleapplication
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 100 mm 之内,电 池堆温度传感器布置 在冷却液出口下游100 mm 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 (100 mm 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1000 m,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/T37244—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 0.60 V 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 21 min、额 定工况
18 min。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
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
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:
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。
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:
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
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:
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
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1 min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:
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=21 min;
● 每小时额定工况运行时间t2=18 min。 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———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:
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 ———每小时其他稳定工况运行时间,单位为分钟(min)。 按式(7)计算燃料电池堆使用寿命tLf范围:
式中: tLf———燃料电池堆使用寿命,单位为小时(h);
V0———燃料电池堆初始电压,单位为伏(V)。
6 测评报告
评估报告应包含以下内容:
● 电池堆型号;
● 测试条件;
● 测试单位;
● 测试时间;
● 相关人员签字。 对测试结果整理内容应包括:
● 燃料电池堆额定电流及额定功率;
● 燃料电池堆怠速电流;
● 工况谱参数;
● 各工况下燃料电池堆性能变化速度;
● 在确定的工况谱下燃料电池堆使用寿命;
● “电流密度-燃料电池平均单节电压”曲线汇总图;
● 活化后各节燃料电池在基准电流下的电压分布图,给出标准方差;
● 100h稳定性测试后各节燃料电池在基准电流下的电压分布图,给出标准方差;
● 完成全部测试后各节燃料电池在基准电流下的电压分布图,给出标准方差。
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