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标准解读‖《燃料电池堆及系统基本性能试验方法》

发布时间:2021-06-17 来源:中国汽车工程学会

      2021年6月11日,中国汽车工程学会正式发布《燃料电池堆及系统基本性能试验方法》(T/CSAE 183-2021)团体标准。该标准以燃料电池系统为试验对象,规定了燃料电池系统额定功率、燃料电池系统质量功率密度、燃料电池堆体积功率密度、燃料电池系统低温冷起动性能等关键性能指标的定义和试验方法,形成了统一的、达成广泛共识的定义和试验方法,对引导和规范车用燃料电池产业健康、可持续发展具有重要意义。

标准起草单位: 中国汽车技术研究中心有限公司、上海捷氢科技有限公司、中汽研汽车检验中心(天津)有限公司、中国科学院大连化学物理研究所、同济大学、上海重塑能源科技有限公司、北京亿华通科技有限公司、潍柴动力股份有限公司、上海神力科技有限公司、丰田汽车(中国)投资有限公司、襄阳达安汽车检测中心有限公司、上海机动车检测认证技术研究中心有限公司、中国汽车工程研究院股份有限公司、中国第一汽车集团有限公司、北汽福田汽车股份有限公司、深圳市雄韬电源科技股份有限公司、安徽明天氢能科技股份有限公司、北京国家新能源汽车技术创新中心有限公司、未势能源科技有限公司、北京氢璞创能科技有限公司、上海骥翀氢能科技有限公司、厦门金龙联合汽车工业有限公司、广州汽车集团股份有限公司、现代汽车(中国)投资有限公司。

主要起草人:郝冬、王晓兵、陈沛、马明辉、张妍懿、杨子荣、侯明、侯永平、张晓丹、刘然、潘凤文、周斌、许诺、钟兵、裴冯来、王锐、盛夏、王超、赵坤、高鹏然、张林松、张少鹏、田俊龙、朱俊娥、梁栋、杨福清、郭温文、朴勋哲、魏青龙、朴世文、吴东来、韩硕、杜超、徐云飞。

标准解读

      本标准以燃料电池系统为试验对象,主要规定了燃料电池系统额定功率、燃料电池系统质量功率密度、燃料电池堆体积功率密度、燃料电池系统低温冷起动性能四项关键性能指标的定义和试验方法。

  • 燃料电池系统额定功率

      燃料电池系统额定功率为制造厂规定的燃料电池系统在特定工况条件下能够持续工作的净输出功率。该标准对燃料电池系统的输出功率、持续工作时间、允许的功率波动范围、单电池平均电压等关键参数进行了明确的规定。

按照GB/T 24554规定的方法进行燃料电池系统热机,在热机状态下,加载到制造厂规定功率后持续稳定运行60 min。燃料电池系统的输出功率应始终处于60 min平均功率的97%~103%之间,且单电池平均电压不低于0.60 V。最后,以60 min输出功率的平均值作为燃料电池系统的额定功率,向下取整后作为额定功率的标称值。

  • 燃料电池系统质量功率密度

      燃料电池系统质量功率密度是燃料电池系统输出功率和其质量的比值,其核心内容是燃料电池系统质量的测量。

      该标准以GB/T 24554为基础,规定了燃料电池系统质量m的测量方法,清晰地划定了称重对象的边界。测量时应按照尽可能保证被测系统完整性的原则,应确保被称重的燃料电池系统在连接氢气源和散热器的条件下即可正常工作,称重范围包括燃料电池系统边界内的所有部分,如图1所示,单位为kg,具体包括:

      燃料电池模块,包括燃料电池堆、集成外壳、轧带、固定螺杆、单电池电压巡检(CVM)等;

      氢气供应系统,包括氢气循环泵和/或氢气引射器等;

      空气供应系统,包括空气滤清器、消音装置、空气压缩机、中冷器、增湿器等;

      水热管理系统,包括冷却泵、去离子器、电加热器等,不包括辅助散热组件、散热器总成、水箱、冷却液及加湿用水;

      控制系统,包括控制器、传感器等;

      组成燃料电池系统所必需的阀件、管路、线束、接头和框架等。

 

图1 燃料电池系统边界示意图

  • 燃料电池堆体积功率密度

      燃料电池堆体积功率密度是燃料电池堆输出功率和其体积的比值,其核心内容是燃料电池堆体积的测量。

燃料电池堆体积测量示意图如图2所示,根据下式计算,单位为L。

 

式中:

VStack——燃料电池堆体积,单位为升(L);

l——双极板外轮廓长度,单位为毫米(mm);

h——双极板外轮廓高度,单位为毫米(mm);

SA——不小于双极板外轮廓面积4%的连续空白区域面积之和,单位为平方毫米(mm2);

w——两个端板之间的宽度,单位为毫米(mm)。宽度w不包括端板、绝缘板、集流板,但应包括所有极板。

 

图2 燃料电池堆体积测量示意图

      双极板外轮廓长度应测量燃料电池堆双极板长度方向的最远外轮廓尺寸,单位为mm;双极板外轮廓高度应测量燃料电池堆双极板高度方向的最远外轮廓尺寸,单位为mm,图3枚举了可能的测量场景,其他测量场景应参考执行。

 

图3 燃料电池堆长宽测量示意图

      其中,对于连续空白区域面积不小于双极板外轮廓面积(l×h)×4%的部分SA,计算双极板面积时应去除该部分面积(氢气、空气、水路通道除外)。

  • 燃料电池系统低温冷起动性能

      燃料电池系统低温冷起动性能的试验方法主要包括低温浸机方法和低温冷起动试验步骤两部分。

      燃料电池系统的低温浸机和试验温度为-30 ℃或更低温度,且有效浸机时间不小于12 h。浸机过程结束后,向燃料电池系统发送起动和加载指令,加载到制造厂规定功率后持续稳定运行10 min,燃料电池系统的输出功率应始终处于10 min平均功率的97%~103%之间,且燃料电池系统输出的10 min平均功率应不低于申报值。记录从测试平台发送起动指令开始至燃料电池系统达到额定功率的时间t(如图4所示)等参数。

 

图4 低温冷起动时间t示意图

      综上,本标准提出了燃料电池系统质量功率密度、燃料电池堆体积功率密度等指标的明确定义和试验方法,实现了关键性能指标的量化评价,为企业的产品开发提供了统一基准,进一步完善了我国燃料电池汽车及其关键部件的测评体系,有利于规范行业发展,促进燃料电池技术不断迭代提升。

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