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1部分：空气中杂质

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1部分：空气中杂质

国家标准 GB/T31886.1一2015 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 1部分:空气中杂质 Testmethodabouttheinfluenceofgaseouscontaminantsin reactiongasontheperformaneofprotonexehangemembranefuelcels -Part1:Gaseouscontaminantsinair 2015-09-11发布 2016-04-01实施 中毕人民共和国国家质量监督检验检疫总局 发布 中 国国家标准化管厘委员会国家标准
GB/T31886.1一2015 前 言 GB/T31886《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/T31886的第1部分 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草 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 本标准负责起草单位;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:梁栋,田超贺、肖宇、侯明、侯中军,齐志刚,石伟玉、侯永平,衣宝廉、裴普成、 李赏,尹航
GB/T31886.1一2015 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1部分空气中杂质 范围 本标准规定了空气中的sO.,NO杂质气体对质子交换膜燃料电池性能影响方面的相关术语和定 义、测试平台及仪器仪表要求、测试前的准备、测试方法及测试报告 本标准适用于燃料为纯氢(>99.9%)、氧化剂为空气的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空气中杂质气体的体积分数不低于1L/L 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 GB3095一2012环境空气质量标准 GB/T5274气体分析校准用混合气体的制备称量法 GB/T5275.10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/T3634.2一2011氢气第2部分:纯氢、高纯氢和超纯氢 GB/T20042.1一2005质子交换膜燃料电池术语 GB/T20042.5质子交换膜燃料电池第5部分;膜电极测试方法 GB/T28816一2012燃料电池术语 术语和定义 GB/T20042.1一2005,GB/T28816一2012界定的以及下列术语和定义适用于本文件 3.1 洁净空气cleaair 所含各种污染物浓度均不超过GB3095-2012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 空气中杂质气体gaseouscontaminantsinair 空气中所含的极少量(体积分数不超过0.lmL/L)便可造成燃料电池性能明显降低的气体组分 本标准适用空气杂质气体为sO和No 3.3 燃料电池中毒fuelcelI lpoisoning 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”
GB/T31886.1一2015 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:本标准中杂质特指空气中杂质 测试平台及仪器仪表要求 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: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;对输人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; -尾气处理单元:实现尾气的安全排放; -恒电流电子负载;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,其氧化剂流路由洁净空气主流路及杂质空气支流路构成,杂质空气支流路 于A点(从A点至燃料电池空气人口段管路长度不超过10cm)接人的洁净空气主流路 杂质空气支 等气体组分无吸附或改性作用的材质,或通过对其他材质管路内壁进行 流路管路应选用对sO.,NO -定的表面涂层处理以避免对sO、,NO，等气体组分的吸附或改性 测试平台流程示意图中燃料电池指燃料电池单池 测试台架 温度 杂质 流量、压力 控制单元 空气源 控制单元 流量、压 活净 温度、湿度 尾气处 尾气 控制单元 控制单元 理单元 空气源 排放 燃料 电池 压切 温度、度 尾气处 尾 理单完 控制单元 控制单元 排放 控制 测试数据 恒流 数据 采集单元 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)参数测量值的精度要求应该满足表1的要求
GB/T31886.1一2015 表1测量精度要求 测试项目 精度要求 备注 电压V 士1% 按最大预期值计 按最大预期值计 电流(A 士0,5% 士2% 流量( 按最大预期值计 ml/min 压力(kPa 士3% 按最大预期值计 温度(C <士1 相对湿度(%) 士3% 按相对误差计 测试前准备 5.1待测燃料电池的基本信息 依据GB/T20042.5一2009中6.1样品制备及6.2测试仪器和设备的规定,提供待测燃料电池基本 信息如下 -样品膜电极有效面积为50crm,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/T20042.5一2009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)及目标杂质浓度(e Cxu; 燃料电池的运行温度:75C 测试电流密度分别为;200mA/em,500mA/em和800mA/em; 燃料电池测试过程中的最低电压(Um):0.3 V 最长毒化时间(ti.):10h 氢气化学计量比为1.2,相对湿度为100%,出口背压为0MPa1 空气化学计量比为2.5,相对湿度为100%,出口背压为0MPa; -测试过程中每一参数连续采样间隔不超过1 1,其中电压及电流连续采样间隔不超过10s min 反应气体准备 本标准采用稀释的方法得到杂质气体体积分数为cw的空气 通过配制杂质气体体积分数为cx 的空气,并将其按一定的稀释比例与洁净空气相混合,从而达到燃料电池制造商指定的测试所采用的含 杂质气体的体积分数 含杂质气体的空气稀释后,其杂质的体积百分比为稀释前的1%5% 稀释前空气中杂质气体的体积分数(cx)的计算如式(1) /d cx0=Cxa/ 式中: 稀释前空气中杂质气体的体积分数 CXo 燃料电池制造商指定的测试所采用的杂质气体的体积分数; CXd 稀释比例即稀释后与稀释前杂质体积分数比 d
GB/T31886.1一2015 燃料电池测试方应依据制造商指定的杂质气体的体积分数(c、),选定适当的稀释比例(ad).依据 式(1)计算应配制的空气中杂质气体的体积分数(cxw) 本标准中测试所应准备的燃料为纯氢,氧化剂为洁净空气及杂质气体体积分数为cx的空气 纯氢;准备足量满足GB/T3634.2-2011中要求的高纯氢气以上品质的气气作为测试所需的纯氢 气源 洁净空气:依据GB/T5274或GB/T5275.10中的规定配置足量洁净空气(氧气体积分数范围不超 出21%士0.2%),作为测试所需洁净空气源 含杂质气体的空气;依据GB/T5274或GB/T5275.10以及式(1)计算的结果,配置足量仅含选定 杂质气体(X)且体积分数为cx的含杂质气体的空气,作为测试所需含杂质气体的空气源 5.4测试样品数量及要求 样品数量;至少9个(每项测试样品不少于3个). 要求;同一批次抽样的样品,确保其结构相同,性能可比 测试方法 6.1总则 本部分给出了空气中含杂质气体对燃料电池性能影响的测试方法,本测试应在图1所述的燃料电 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,测试报告中涉及的数值报告 部分应给出相关样品测试结果的范围区间及平均值 6.2测试步骤 概述 6.2.1 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 200m.Acmr,.500m.A/cm.800mA/cem三个电流密度条件下的测试 性能衰减曲线 = -x100% T 稳态 青化阶段 -恢复阶段 时间/mim 图2测试过程示意图
GB/T31886.1一2015 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,处于该状态下的燃料电池电压最大波动范围不超出土15mV,任意2min内电压平均值差异不超 过2mV 记录此时的洁净空气进气流量(Q.),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t,,结束时间为t 6.2.3毒化阶段 6.2.3.1毒化阶段开始 在燃料电池稳态阶段完成后,调节洁净空气流量为Q,并同步混人杂质空气,流量为Q',其余操 作条件不变,维持燃料电池恒电流继续运行,进人燃料电池毒化阶段,其中,洁净空气进气流量(Q.)及 杂质空气进气流量(Q')与设定的空气总进气流量(Q.)关系如式(2),式(3): Q=Q，×(1一d) 2 Q'，=Q.×1一d 3 式中: -毒化阶段的洁净空气进气流量; Qn 毒化阶段的杂质空气进气流量; Q -稳态阶段的洁净空气进气流量; -杂质空气稀释比例 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1e 结束 条件如下 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,该区域内的燃料电池 a V 电压最大波动范围不超出士15mV,任意2min内电压平均值差异不超过5m b)燃料电池电压值达到最低运行电压(U)0.3V; 燃料电池运行至最长毒化时间(lim)10h 6.2.4恢复阶段 毒化阶段结束后将燃料空气再次切换为洁净空气继续测试5h,对燃料电池恢复进行验证(该切换 过程中燃料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 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 口 - ”台
GB/T31886.1一2015 式中 测试的燃料电池样品数量; 样品的稳定状态阶段平均电压,单位为伏(V) U 可. -所有样品的平均稳态电压,单位为伏(V) 6.3.3毒化后燃料电池性能 燃料电池样品i于毒化阶段结束时所达到的电压值,用于表征样品i毒化后的燃料电池性能,将不 同样品的U后按式(s)进行算术平均计算可得到毒化后的平均性能 可-习u 5) 式中: 测试的燃料电池样品数量; U -样品i毒化后燃料电池的电压,单位为伏(V); 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(1 取燃料电池样品i运行于，和 间的时间差/ie为样品i的毒化时间,将不同样品的/按式6) 进行算术平均计算可得平均毒化时间o te te 式中: 测试的燃料电池样品数量; 燃料电池样品的毒化时间,单位为分(nmin); ;le min ll燃料电池平均毒化时间,单位为分(G 6.3.5衰减幅度Au 取燃料电池样品i的稳态电压U、毒化后电压U 按式(7)进行计算可得样品i衰减幅度Aui U-U ×100% 4 U w" 式中: 样品i衰减幅度,%; Aui U -样品i的稳态阶段平均电压,单位为伏(V); U 样品i毒化后的电压,单位为伏(V. 将不同样品的Au，按式(8)进行算术平均计算可得燃料电池平均衰减幅度u u= A 式中: 测试的燃料电池样品数量; -样品i中毒衰减幅度,%; Au 所有样品的平均衰减幅度,% Au
GB/T31886.1一2015 6.3.6性能衰减曲线 将燃料电池样品i于一 段运行过程中电压作为纵轴,相对时间作图(以为时间零点),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,可以粗略分辨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内燃料电池电压数据取算术 平均值,并将其与稳态性能(U,)相比,得到恢复百分比,计算如式(9) U =U./U.×100% 9 式中: U 样品i恢复的恢复比例,%; U -样品i的稳态阶段平均电压,单位为伏(V); U -样品i恢复阶段测试结束时刻前5min内的燃料电池平均性能,单位为伏(V) 测试报告 质子交换膜燃料电池制造商可利用本标准对其产品抗空气杂质毒化性能进行评价,测试报告应包 括以下信息 燃料电池基本信息及制造商名称 a b 详细测试条件以及测试过程与结果; 测试方需备注表明的其他信息 测试报告可参照附录A给出的格式编写
GB/T31886.1一2015 附录A 资料性附录 测试报告 空气中杂质气体对燃料电池性能影响的测试报告,可参考表A.1给出的模板进行编写 表A.1空气中杂质对燃料电池性能影响测试报告 制造商名称 燃料电池类型 年 月 月 制造时间 测试时间: 年 引用标准编号GB/T31886.1一2015 V十 额定工作电压: 燃料电池 额定工作电流 A士 样品参数 W 额定功率 活性面积: cm 空气中杂质类型 配气体积分数 稀释比例 燃料电池温度 电流: 浏 最低运行电压 最长测试时长 试 压力/kPa 相对湿度/% 流量/L min1 杀 空气 件 氢气 测试开始时间. 毒化起始时间i 试 测试结束时间a 测试结束满足条件 达到平台区 口达到最低运行电压 口达到最长测试时长 国 稳态性能U A V@ A B 毒化后性能U V(@ 测 试 .毒化时间io min 结 % D 衰减幅度Au 果 % E.恢复比例U， 恢复后电压 v恢复5h后电压)
GB/T31886.1一2015 表A.1(续) F.性能衰减曲线(附图 性能衰减曲线 测 - AM -X1009% 试 结 果 稳态 毒化阶段 一恢复阶段 时间/mim 性能衰诚曲线示意图 备注