国家标准 GB/T38914一2020 车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命测试评价方法 Bwalwatonmethodforlfetimefpruonexehangmembranefulecel stackinvehieleapplieation 2020-06-02发布 2020-12-01实施国家市场监督管理总局发布国家标涯花警理委员会国家标准
GB/38914一2020 目次前言范围 2 规范性引用文件术语和定义测试设备及条件 4.1测试对象 4.2测试平台及测试对象安装 4.3测试环境与基本要求 4.4特别规定使用寿命测试方法 5.l总则活化.测试及稳定性考核 5,2 分工况测试 5.3 寿命测试结束时的发电性能测试 5,4 循环工况谱的确定 l0 5.5 5.6性能衰减率和燃料电池使用寿命计算 10 测评报告 11 参考文献 12
GB/38914一2020 前言本标准按照GB/T1.1一2009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、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、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、南京东巅氢能源科技有限公司、船舶重工集团公司第七二研究所、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()投资有限公司、北京亿华通科技股份有限公司、上海博喧能源科技有限公司、,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、卢琛钮,王刚周斌,李松丽、侯明、俞红梅、王诚、新股实、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
GB/38914一2020 车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命测试评价方法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/T20042.1质子交换膜燃料电池第1部分;术语 GB/T23645一2009乘用车用燃料电池发电系统测试方法 GB/T28183一2011客车用燃料电池发电系统测试方法 GB/T29838一2013燃料电池模块 GB/T36288一2018燃料电池电动汽车燃料电池堆安全要求 GB/T37244一2018质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气术语和定义 GB/T20042.1.,GB/T23645一2009,GB/T28183一2011,GB/T29838一2013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ratedeurrent 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工况循环operatiom0deeycle 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
GB/T38914一2020 3.5 车用燃料电池堆使用寿命lifetimeoffuelcellstackinvehicleapplieatiom 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/T362882018的基本安全要求 4.2测试平台及测试对象安装主要剖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士3.0% 温度测量装置不低于士1.0C 压力测量装置不低于士1.0kPa 燃料质量流量测量装置不低于士1.0%FS(满量程空气质量流量测量装置不低于士1.0%Fs 电压测量装置不低于士0.5%Fs 电流测量装置不低于士0.5%FSs 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
GB/38914一2020 总体控制电压监测负载系统显示器记录多 E 流量和压尾排增湿和温知力控制度控制燃料电池堆废热被测系统增湿和温流量和压籍中水力控制度控制排出图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5C一40C,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/T37244一2018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
GB/T38914一2020 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(OcCV) 在燃料电池平均单节电压0.70V士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、息迷电流和额定电流 5.2.3燃料电池堆稳定性考核与初始电压V 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 lh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V ,作为寿命计算公式中的初始电压 240 480 720 96012001440168019202160240026402880312033603600 时间s 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前提条件各节燃料电池电压<0.3V 启动过程按委托方要求的控制方法完成启动息速停留时间 180s 计数完成变载27次加载过程时间 30、加载终点额定电流循环变载额定电流停留时间 35s l6s 减载过程减载终点怠速电流 40s 怠速停留时间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lmin内电压降至开路电压50%以下
GB/38914一2020 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 时间/s 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前提条件各节燃料电池电压0.3V 启动停留电流怠速开始计时怠速运行电流息速电流基准电流工况每隔约1h,从息迷加载到基准电流工况,维持90s记录电压,减载至息速工况条件怠速工况及基准电流工况连续运行4h 停机按委托方要求的控制方法完成停机.燃料电池堆在停机及处理停机后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'盘" 教式计算怠速工说致使燃料电池电压变化率U U'=V'息一
GB/T38914一2020 式中 U”' 怠速工况致使燃料电池电压变化率,单位为伏每小时(V/A); V'" -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); 息 V'" 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 时间/s 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前提条件各节燃料电池电压<0.3v 启动停留电流怠速息速停留时间 90s 开始计时额定工况运行电流额定电流变载过程时间加载过程30s,减载过程16s 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,再回额定工况额定工况及基准电流工况连续运行4h 条件息速停留时间 30s 怠速-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停机及处理 lmim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' 按式(2)计算额定工况致使燃料电池电压变化率U', 2 U' =V'抓-" 式中 U' 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'" 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);
GB/38914一2020 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 时间/s 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前提条件各节燃料电池电压<0.3V 启动停留电流怠速怠浊停留时间 240s 开始记录加载次数加载幅度从息速电流到额定电流加载过程时间 30s 循环变载额定电流停留时间 3s 减载过程 16s 减载终点怠速电流怠速停留时间 15s 条件完成加载216次考核基准电流工况从息速加载到基准电流工况维持90s,记录电压记1次加载) 方法减载至怠速工况.怠速停留200s 按委托方要求的控制方法完成停机,燃料电池堆在停机后1minm 停机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' 3680U'" 738U V'，=V'它一品( 3600 3600
GB/T38914一2020 式中 V 变载工况致使燃料电池电压变化率,单位为伏每次(V/次); V'" 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); 每次启停的电压衰减率,单位为伏每次(V/次); U' 息速工况致使燃料电池电压变化率,单位为伏每小时(V/h); U' -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'那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,息速时间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 -" 业 #+ 时间/s 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前抛条件各节燃料电池电压 0.3V 启动停留电流息速息速停留时间 30s 记录加载次数加载始点息速电流 30s 加载过程时间第1 小循加载终点额定电流循环变载环 27次额定电流停留时间 3s 6s 减载过稠减载终点息速电流怠速停留时间 5s 按委托方要求的控制方法完成停机,燃料电池堆在停机后停机 1min内电压降至开路电压50%以下
GB/38914一2020 表6(续》步骤工况号工况要求启动同上工况1 息速 30s 第2 小循循环变载同上工况3 环 27次停机同上工况3 第3小循环m，次变载(各工况同上) 至第7小循环m,次变载(各工况同上) 启动同上工况1 30s 怠速循环变载同上工况3 第8 (27次小循基准电流工况从怠速加载到基准电流工况维持90s,记录电压,减载至怠速工况环记1次加载》息速停留200 按委托方要求的控制方法完成停机,燃料电池堆在停机后停机 lnmin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'幅环2 结合5.3.4测试V'痛环结果,用式(4)计算每次启停致使燃料电池电压变化率V' V v',-(V" '猫环1 稀环2 式中: V 每次启停的电压衰减率,单位为伏每次(V/次); v 所测基准电流工况电压点做线性拟合,单位为伏每次(V/次); 猫环2 V” -变载工况下,所测电压点做线性拟合,单位为伏每次(V/次). 帮环1 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
GB/T38914一2020 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n=1次; 每小时加载次数n;=27次,每次加载过程30s减载过程16s; 每小时怠速运行时间t=21min 每小时额定工况运行时间t=18nmin 委托方提供燃料电池堆工况谱参数,包括每小时启停次数n次); 怠速运行时间tnmin); 加载次数n.(次),每次加载和减载过程时间(s); 额定工况运行时间t,(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士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'ni+V'n 十 5 -t1十 60 60 式中 -燃料电池堆性能衰减率,单位为伏每小时(V/h); v" 每次启停的电压衰减率[见5.3.4式(4)],单位为伏每次(V/次)7 每小时启停次数,单位为次每小时(次/h). n V" 变载工况致使燃料电池电压变化率,单位为伏每次(V/次); 每小时加载次数,单位为次每小时(次/h); n. 怠速工况致使燃料电池电压变化率,单位为伏每小时(V/h); -每小时怠速运行时间,单位为分 min; 1 U' 额定工况致使燃料电池电压变化率,单位为伏每小时(V/h):; 每小时额定工况运行时间,单位为分(min). 2 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'十'n" 习n)十习c" 十 (6 ;/ 60 60 式中 V" 其他变工况致使燃料电池电压衰减率,单位为伏每次(V/次).; 每小时其他变工况次数,单位为次每小时(次/h); 1 U 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); 每小时其他稳定工况运行时间,单位为分钟(mim). 按式(7)计算燃料电池堆使用寿命tu范围: 0.075×V 0.1×V tE 十100. 十100 A 10
GB/38914一2020 式中燃料电池堆使用寿命,单位为小时(h) u 燃料电池堆初始电压,单位为伏(V) 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谐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 11
GB/T38914一2020 考文献参 [1]那明,奥脱布克斯鲍姆,哈茨罗华克.结构抗疲劳设计.北京;机械工业出版社,198768-84. [[2]裴普成,黄海燕一种快速评价车用燃料电池使用寿命的方法发明专利a200710100151.4 [3]PuehengPa,Qiamfeichang,TianT evaluatingmethodforautomotivefuelcell Aquicd ang INTERNATIONALJOURNALOFHIYDR(OGENENERGY.33(14;3829-3836,2008. iitetime Lifetimepredictionandtheeconomiclifetimeof Pei,MancunSon [[4]HuicuiChen,Puch heng ong ProtonExchangeMembranefuelcells，APPLIEDENERGY.142:154-163,2015 Pueheng Chen,ZiyaoWu,PengRenNonlinearmethodsforevaluatingand Pei,Dongfang onlinepredictingthelifetimeofftuelcel APPILIEDENERGY.254,No.l13730,15November2019 AmandaCollier，Haijiang wang， ,XiaoZiYuan,etal Degradationofpolymereleectrolyte membranes INTERNATIONALJOURNAL(O)FHIYDROGENENERGY 31(13):l838-1854,2006 12

车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命测试评价方法GB/T38914-2020介绍

概述

车用质子交换膜燃料电池堆是一种新型的动力系统，具有高效、环保等优点，因此在汽车领域得到了广泛的关注和应用。然而，燃料电池堆的使用寿命问题一直是制约其大规模商用的重要因素之一。

针对这一问题，GB/T38914-2020标准提出了一套评价车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命的测试方法和评价体系。该标准的发布将为燃料电池堆的实际应用提供重要参考和指导。

测试方法

GB/T38914-2020标准主要从以下三个方面对车用质子交换膜燃料电池堆的使用寿命进行评价：

耐久性测试
不良环境耐受性测试
可靠性测试

其中，耐久性测试是最基本的测试方法，通过模拟实际使用条件下的运行状况，检测燃料电池堆的耐久性能力。不良环境耐受性测试则主要是针对极端条件下的应用场景进行测试，如高温、低温、高湿度等。

而可靠性测试则是在耐久性和不良环境耐受性测试的基础上，对燃料电池堆的故障率、维修率等指标进行评价，以验证其实际应用的可靠性。

评价体系

GB/T38914-2020标准还规定了一套完整的评价体系，将从以下五个方面对车用质子交换膜燃料电池堆的使用寿命进行评价：

性能评价
耐久性评价
可靠性评价
环境适应性评价
经济性评价

这五个方面涵盖了燃料电池堆使用寿命的各个方面，从理论和实际的角度全面评估了车用质子交换膜燃料电池堆的运行状况。

总结

GB/T38914-2020标准的发布为车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命问题的解决提供了科学的依据和方法。该标准的推广应用将有助于推动燃料电池车辆技术的进一步发展和商用化。