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| GB/T 33979-2017 |
英文版
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质子交换膜燃料电池发电系统低温特性测试方法
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GBT 33979-2017
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标准编号: GB/T 33979-2017 (GB/T33979-2017)
中文名称: 质子交换膜燃料电池发电系统低温特性测试方法
英文名称: Test methods for proton exchange membrane fuel cell power system at sub-zero environment
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: 18,147
发布日期: 2017-07-12
实施日期: 2018-02-01
起草单位: 中国科学院大连化学物理研究所、同济大学、新源动力股份有限公司、武汉众宇动力系统科技有限公司、上海汽车集团股份有限公司、上海神力科技有限公司、机械工业北京电工技术经济研究所、深圳市标准技术研究院、武汉理工大学、清华大学、宁波拜特测控技术有限公司、航天新长征电动汽车技术有限公司、中国电器工业协会、北京亿华通科技有限公司、南京大学昆山创新研究院
归口单位: 全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会(SAC/TC 342)
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
GB/T 33979-2017: 质子交换膜燃料电池发电系统低温特性测试方法
GB/T 33979-2017 英文名称: Test methods for proton exchange membrane fuel cell power system at sub-zero environment
ICS 27.070
K82
中华人民共和国国家标准
1 范围
本标准规定了低温(零度以下)条件,质子交换膜燃料电池发电系统的通用安全要求、试验条件、试
验平台、低温试验前的例行试验及低温试验方法和试验报告等。
本标准适用于以空气为氧化剂的质子交换膜燃料电池发电系统低温(零度以下)条件的存储、启动、工作性能的试验。
本部分适用于完整的燃料电池发电系统。
注:根据需要实现设定的功能,该系统由下列部分或全部的部件组成:
---燃料处理系统:对燃料电池发电系统所需的燃料进行计量、调节、处理并可调压的系统。
---空气处理系统:对燃料电池发电系统所需的空气进行计量、调节、处理并可以加压的系统。
---热管理系统:提供冷却和散热功能以保持燃料电池发电系统内部的热平衡,还可以回收余热以及在启动过
程中协助加热系统中的相关部件。
---水处理系统:对回收或添加的水进行处理,以供燃料电池系统使用。
---功率调节系统:控制所产生的电能与用户指定的用电需求相匹配。
---自动控制系统:由传感器、执行器、阀门、开关和逻辑元件组成,用于将燃料电池发电系统参数维持在制造
商设定范围内而无需人工进行干预。
---通风系统:通过自然或机械的方法,向燃料电池发电系统的机柜内提供空气。
---燃料电池堆:由多个单电池、极板、冷却板、共用管道及支撑结构构成的组装件。其典型功能在于将富含氢
的气体和空气通过电化学反应转化为直流电、热量、水和其他副产品。
---燃料电池模块:由一个或多个燃料电池堆、输送电堆电能的电联接装置以及监控装置构成。
---内置式能量储存装置:系统内部所带的储能装置,用于帮助或补充燃料电池模块向内部或外部负载供电。
4 通用安全要求
质子交换膜燃料电池堆的通用安全要求应符合GB/T 20042.2-2008中4.2的规定。
汽车用燃料电池发电系统的安全要求应符合GB/T 25319-2010中4.2的规定。
固定式质子交换膜燃料电池发电系统应符合GB/T 27748.1的规定。
便携式质子交换膜燃料电池发电系统的安全要求应符合GB/T 30084-2013中1.2的规定。
5 试验条件
进行试验时,试验条件应符合如下规定:
---环境温度:环境舱温23℃±2℃,低温环境温度0℃~-40℃,具体的试验中,试验各方根据
试验目的协商确定试验采用的环境温度;
---试验环境气压:91kPa~104kPa。
6 试验平台
6.1 试验设备及要求
燃料电池发电系统试验所需的低温环境试验舱与燃料电池发电系统试验平台至少应满足以下要求:
---低温环境试验舱:低温环境试验舱应能满足试验要求的低温环境条件,舱内的温度分布差异不
超过±2℃。除氢气源外,供气、冷却剂以及电路的接口均置于环境试验舱内,且在进气、冷却
剂接口设置温度测量,以保证燃料电池发电系统的空气与燃料入口气体温度为设定的环境温
度。燃料电池发电系统及其控制器和散热器也置于环境试验舱内。舱内应设置氢气报警器、
排风口,以保证试验过程的安全性。
---燃料电池发电系统试验平台,应具备满足燃料电池测试的必要功能。
---负载,应满足燃料电池系统常规测试的要求。
6.2 试验仪器及精度
用于试验的仪器及精度要求如下:
a) 测量环境条件的仪器:气压计,湿度计和温度传感器;
b) 测量燃料条件的仪器:燃料流量计,压力传感器,温度传感器,湿度传感器;
c) 测量空气条件的仪器:空气流量计,压力传感器,温度传感器,湿度传感器;
d) 测量电能输出、输入的仪器:功率表、电压表、电流表,其他附件;
e) 测量启动时间的仪器:电子计时器。
试验设备及仪器应符合相关国家标准的规定。表1为试验中使用仪器的计量单位及精度要求。
6.3 试验项目
在规定的低温环境条件下,主要在以下3个方面对质子交换膜燃料电池发电系统进行测试:
a) 安全方面:低温环境对燃料电池发电系统存储和运行安全性能的影响;
其中,系统绝缘特性测试,按照GB/T 18384.3-2001中6.2基本绝缘、附加绝缘、双重绝缘和
加强绝缘的要求,在规定的低温环境条件下进行;
b) 性能方面:燃料电池发电系统的启动、运行和关机的试验;
c) 泄漏试验:按照GB/T 25319-2010中的5.1.1气体泄漏试验的相关规定执行。
在规定低温环境条件下质子交换膜燃料电池发电系统的试验项目及分类如表2所示。
7 低温试验前的例行试验
7.1 概述
由燃料电池发电系统制造商提供完整的试验用燃料电池发电系统,以及燃料电池发电系统运行所
要求的燃料、空气、冷却剂、辅助电输入、辅助热输入等相关技术参数。
试验开始前应由燃料电池发电系统或部件制造商规定以下的标准试验条件。如果没有规定,将根
据实施的试验确定条件,并应记录这些试验条件。
---试验环境条件:
● 试验所在的环境舱温度;
● 大气压力;
● 启动用燃料输入要求;
● 启动用辅助能量输入要求。
---燃料电池发电系统操作条件要求:
● 燃料进气与排气流量;
● 空气进气与排气流量;
● 燃料运行压力(代表值:紧靠燃料电池堆的上游取值);
● 空气运行压力(代表值:紧靠燃料电池堆的上游取值);
● 燃料组成;
● 空气组成;
● 燃料化学计量比;
● 空气化学计量比;
● 工作电压。
在环境舱温(23℃±2℃)环境下,应按照7.2~7.5的顺序对燃料电池发电系统进行测试。
通过7.2~7.5可得出燃料电池发电系统的气体泄漏率、启动时间及能耗、关机时间及能耗、吹扫时
间及能耗、外部能量消耗量等燃料电池发电系统的性能参数。
7.2 气密性试验
按照GB/T 25319-2010中5.1.1的规定进行燃料电池发电系统的气体泄漏试验。
7.3 启动试验
根据燃料电池发电系统制造商规定的启动程序进行燃料电池发电系统启动试验,分别记录燃料电
池发电系统从冷启动到怠速状态、额定功率输出、峰值功率所需的时间、燃料输入与输出流量、空气输入
7.4 发电性能试验
根据燃料电池发电系统制造商规定,燃料电池发电系统稳定运行在怠速状态和额定功率输出状态,
分别记录燃料电池发电系统在规定运行时间段内的燃料输入流量、空气输入流量、辅助电能输入、辅助
热能输入,以及电能输出和热能输出。
7.5 关机试验
根据燃料电池发电系统制造商规定的关机程序进行燃料电池发电系统关机试验,分别记录燃料电
池发电系统从额定功率输出、怠速状态到关机所需时间、燃料输入与输出流量、空气输入与输出流量、辅
助电能输入、辅助热能输入、吹扫流量、时间及能耗,其中吹扫流量的测量按照GB/T 27748.2-2013中
7.3.4的规定进行。
8.1 概述
对于燃料电池发电系统低温存储、低温启动试验项目,应根据试验目的在燃料电池发电系统处于不同的状态下进行。
8.2 试验参数的最大容许偏差
试验期间涉及的参数的最大允许偏差见表3。
注:表3不适用于燃料电池发电系统的启动和关机试验。
8.3 试验数据采集
需要采集的试验数据:启动时间、氢气的质量流量,燃料电池堆的电压、燃料电池堆的电流、外部辅
助系统的电压、外部辅助系统的电流、控制系统电压(12V、24V)、控制系统电流(12V、24V)。
试验数据采集频率不小于1Hz。
---燃料电池发电系统泄漏试验项目:通过燃料电池发电系统气密性试验,测量燃料电池发电系统
的气体泄漏量和泄漏速率;
---启动特性试验项目:启动时间、燃料输入流量与温度、外部辅助电输入、辅助热能输入、吹扫气体输入;
---关机特性试验项目,关机时间、燃料输入、外部辅助电输入、辅助热能输入、吹扫气体输入;
---发电性能试验项目,应同时测量燃料输入、外部辅助电输入、辅助热能输入、电输出和热输出。
应参照规范性引用文件对应的燃料电池发电系统的类型,确定适当的试验持续时间,数据采集频次
应大于或等于1Hz。
8.4 低温试验过程
8.4.1 概述
验,具体环境温度根据试验要求而定。试验过程中燃料电池发电系统按照制造商的要求自动运行。
8.4.2 低温存储试验
8.4.2.1 试验步骤
应按以下步骤进行燃料电池发电系统的低温存储试验:
a) 将燃料电池发电系统置于低温存储试验舱中,燃料电池发电系统正常稳定运行条件下,按照制
造商规定的低温存储前的关机程序或参照附录A给出的关机程序进行燃料电池发电系统关
机,记录关机所用的时间与消耗的能量与物质的量;
b) 按试验要求设置试验舱温度,静置12h;
8.4.2.2 试验数据处理
a) 燃料电池发电系统在进行8.4.2.1e)试验时,按照7.2~7.5试验的要求采集试验数据,并进行计算;
b) 试验数据按7.6中的规定进行汇总;
c) 将低温存储试验后的燃料电池发电系统性能参数与低温存储试验前标准温度环境下燃料电池
发电系统的性能参数进行比较;
d) 从上述比较中得出燃料电池发电系统在低温存储前后的气体泄漏、启动时间及能耗、关机时间
及能耗、吹扫时间及能耗、外部能量消耗量等燃料电池发电系统性能参数的变化。进而得出该
燃料电池发电系统的低温存储特性。
8.4.3 低温启动及运行试验
8.4.3.1 试验步骤
a) 燃料电池发电系统冷却液加注完成,一切准备就绪,之后在试验期间不对燃料电池系统进行任何操作;
b) 将环境舱的温度设置到规定的温度,环境舱温度达到规定温度以后开始计时,静置12h;
c) 向燃料电池发电系统发送启动命令,同时开始记录相关试验数据;
d) 燃料电池发电系统功率达到额定功率后持续运行10min;
e) 然后向燃料电池发电系统发送关机命令,进行正常关机操作;
f) 关机结束后,燃料电池发电系统在该环境中继续静置12h;
g) 向燃料电池发电系统发送启动命令;
h) 燃料电池发电系统功率达到额定功率后持续运行10min;
i) 然后向燃料电池发电系统发送关机命令,进行正常关机操作;
8.4.3.2 试验数据处理
按照如下要求对试验数据进行处理:
a) 燃料电池发电系统在进行8.4.3.1f)试验时,按照7.2~7.5的要求采集试验数据,并计算;
b) 试验数据按7.6的规定进行汇总;
c) 将低温启动试验后的燃料电池发电系统性能参数与低温启动试验前标准温度环境燃料电池发
电系统的性能参数进行比较;
d) 从上述比较中得出燃料电池发电系统在低温启动前后的流体泄漏、启动时间及能耗与燃料与
空气的消耗量、关机时间及能耗、吹扫时间及能耗、外部能量与物质消耗量等燃料电池发电系
统性能参数的变化,进而得出该燃料电池发电系统的低温启动特性。
9.1 概述
试验报告应提供足够多的准确、清晰和客观的试验数据以用来进行分析和参考。报告包括三种形
式,摘要、详细和完整。每种形式的报告都应包含相应的标题页和目录。根据本标准进行的试验,摘要
报告将提供给有关各方。
9.2 标题页
标题页应介绍下列信息:
a) 报告编号;(可选)
b) 报告形式;(摘要、详细和完整)
c) 报告作者;
e) 报告日期;
f) 试验地址;
g) 试验名称;
h) 试验日期和时间;
i) 发电系统标识和制造商名称。
9.3 目录
每种形式的报告都应提供相应目录。
9.4 摘要报告
摘要报告应包括下列信息:
b) 试验、仪器和设备的描述;
c) 试验项目的顺序和日期,以及所有的试验结果;
d) 相应结论。
9.5 详细报告
详细报告应在摘要报告内容外增加下列信息:
a) 燃料电池发电系统的类型、规格、运行配置和说明试验边界的流程图;
b) 仪器和设备的安排、布置和运行条件的描述;
c) 仪器设备校准情况;
d) 计算方法;
f) 试验及其结果的讨论。(如,评论和记录)
9.6 完整报告
完整报告应在详细报告内容外增加原始数据表复印件。
附录B为试验报告的参考模板。
附 录 A
(资料性附录)
低温保存用关机程序
低温保存之前的关机按如下程序进行:
a) 根据燃料电池发电系统的操作要求进行卸载,至开路状态。
进气分别切换为不增湿的干燥惰性气体,如N2;根据燃料电池发电系统制造商的操作压力与
流量调节惰性气体进气压力与流量,对燃料电池发电系统进行吹扫,记录吹扫压力、流量与起始时间。
GB/T 33979-2017
GB
NATIONAL STANDARD OF THE
PEOPLE’S REPUBLIC OF CHINA
ICS 27.070
K 82
Test methods for proton exchange membrane
fuel cell power system at subzero environment
ISSUED ON. JULY 12, 2017
IMPLEMENTED ON. FEBRUARY 1, 2018
Issued by. General Administration of Quality Supervision, Inspection and
Quarantine;
Standardization Administration Committee.
Table of Contents
Foreword . 3
1 Scope .. 4
2 Normative references . 5
3 Terms and definitions . 5
4 General safety requirements . 6
5 Test conditions . 6
6 Test platform . 6
7 Routine test prior to subzero environment test . 8
8 Subzero environment test. 10
9 Test report . 14
Annex A (informative) Shutdown procedures used for subzero storage . 17
Annex B (informative) Test report . 18
Test methods for proton exchange membrane
fuel cell power system at subzero environment
1 Scope
This Standard specifies, at low temperature environment (subzero), the general
safety requirements, test conditions, test benches, routine tests before low
temperature test, and low temperature test methods and test reports of proton
exchange membrane fuel cell power system.
This Standard is applicable to the storage test, startup test, working
performance test of proton exchange membrane fuel cell power system at low
temperature environment (subzero) that use air as oxidant.
This Part is applicable to the complete fuel cell power system.
NOTE. According to the needs, realize the locking function. The system consists of some
or all of the following components.
- fuel processing system. a system for metering, adjusting, processing, and pressure-
regulating of fuel needed for fuel cell power system;
- air processing system. a system for metering, adjusting, processing, and pressure-
applying of air needed for fuel cell power system;
- thermal management system. related parts that provide cooling and heat dissipation to
maintain heat balance inside the fuel cell power system, also recover waste heat and
assist the heating system during start-up;
- water treatment system. treat recycled or added water for use in fuel cell power system;
- power regulation system. control that the generated power matches user-specified power
requirements;
- automatic control system. consist of sensors, actuators, valves, switches, and logic
components to maintain fuel cell power system parameters within the manufacturer's set-
up without manual intervention;
- ventilation system. provide air to the chamber of fuel cell power system through natural
or mechanical methods;
- fuel cell stack. an assembly consisting of a plurality of single cells, plates, cooling plates,
common pipes and supporting structures; its typical function is to convert hydrogen-rich
4 General safety requirements
The general safety requirements for proton exchange membrane fuel cell stack
shall comply with the provisions of 4.2 in GB/T 20042.2.
The safety requirements of fuel cell power system for automobile use shall
comply with the provisions of 4.2 in GB/T 25319-2010.
The fixed proton exchange membrane fuel cell power system shall comply with
the provisions of GB/T 27748.1.
The portable proton exchange membrane fuel cell power system shall comply
with the provisions of 1.2 in GB/T 30084-2013.
5 Test conditions
When testing, the test conditions shall meet the following requirements.
- Ambient temperature. the ambient chamber temperature is 23°C±2°C,
and the low-temperature ambient temperature is 0°C~-40°C. In the
specific test, the parties to the test shall negotiate and determine the
test;
- Test environment air pressure. 91kPa~104kPa.
6 Test platform
6.1 Test equipment and requirements
The subzero environmental test chamber and the fuel cell power system test
platform required for the test of the fuel cell power system shall at least meet
the following requirements.
- Subzero environmental test chamber. the subzero environmental test
chamber shall be able to meet the subzero environmental conditions
the chamber shall not exceed ±2°C. In addition to the hydrogen source,
the gas supply, coolant, and circuit interface are all placed in the
environmental test chamber. Temperature measurements are set at the
inlet and coolant connections to ensure that the air and fuel inlet gas
temperature of the fuel cell power generation system is the set ambient
temperature. The fuel cell power system, as well as its controller and
radiator, is also set in the environmental test chamber. The hydrogen
alarm and air outlet shall be installed in the chamber to ensure the safety
- Requirements for operation condition of fuel cell power system.
● air intake and exhaust flow;
● fuel operating pressure (represented value. upstream of the fuel cell
stack);
● air operating pressure (represented value. upstream of the fuel cell
stack);
● fuel composition;
● air composition;
● fuel stoichiometric ratio;
● air stoichiometric ratio;
● working voltage.
In an environment with an environmental cabin temperature of (23°C±2°C), the
fuel cell power system shall be tested in the order of 7.2~7.5.
Through 7.2 to 7.5, the fuel cell power system's gas leakage rate, startup time
and energy consumption, shutdown time and energy consumption, purge time
and energy consumption, external energy consumption and other fuel cell
power system performance parameters can be obtained.
7.2 Gas tightness test
Conduct gas leakage test of fuel cell power system in accordance with 5.1.1 of
7.3 Startup test
According to the startup procedures specified by the manufacturer of fuel cell
power system, conduct the startup test of fuel cell power system. Record the
state from cold startup to idle, rated power output, peak power, fuel input and
output flow, air input and output flow, auxiliary power input, auxiliary heat input,
purge time and energy consumption of fuel cell power system.
7.4 Power generation performance test
According to the manufacturer's regulations for fuel cell power system, the fuel
cell power system operates stably at idle and at rated power output. Record the
system current (12V, 24V).
Test data collection frequency is not less than 1Hz.
The data collected for the tests of gas leakage, shutdown characteristics and
power generation performance of fuel cell power system are as follows.
- leakage test items for fuel cell power system. measure the gas leakage
and the leakage rate of fuel cell power system by the airtightness test of
fuel cell power system;
- startup characteristic test items. startup time, fuel input flow and
temperature, external auxiliary power input, auxiliary heat input, purge gas
- shutdown characteristics test items. shutdown time, fuel input, external
auxiliary power input, auxiliary heat input, purge gas input;
- power generation performance test items. fuel input, external auxiliary
power input, auxiliary heat input, electrical output and heat output shall be
measured at the same time.
The appropriate test duration shall be determined by reference to the type of
fuel cell power system to which the normative references apply. The frequency
of data acquisition shall be greater than or equal to 1 Hz.
8.4 Subzero environment test process
According to the test requirements, perform the storage and startup tests of fuel
cell power system in subzero temperature environment (such as 0°C ~ -40°C).
The specific ambient temperature is determined according to test requirements.
The fuel cell power system runs automatically according to the manufacturer's
requirements during the test .
8.4.2 Subzero storage test
8.4.2.1 Test steps
According to the following steps, perform the subzero storage test of fuel cell
power system.
under the normal and stable operation conditions of the fuel cell power
system, the shutdown of the fuel cell power system shall be carried out in
accordance with the shutdown procedures specified by the manufacturer
b) set the temperature of the environmental chamber to the specified
temperature, and start timing after the temperature of the environmental
chamber reaches the specified temperature, and let it stand for 12h;
c) send the startup command to fuel cell power system and start recording
relevant test data;
d) after the power of the fuel cell power system reaches the rated power, it
e) then send a shutdown command to the fuel cell power system to perform
a normal shutdown operation;
f) after shutdown, the fuel cell power system is allowed to stand for 12h in
this environment;
g) send the startup command to fuel cell power system;
h) after the power of the fuel cell power system reaches the rated power, it
shall continue to operate for 10min;
i) then send a shutdown command to the fuel cell power system to perform
a normal shutdown operation;
8.4.3.2 Test data processing
Process the test data according to the following requirements.
a) when the fuel cell power system conducts the test of 8.4.3.1f), test data
shall be collected according to the requirements of 7.2~7.5 and calculated;
b) test data is summarized according to the provisions of 7.6;
c) compare the performance parameters of the fuel cell power system after
the subzero startup test WITH the performance parameters of the
standard...
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